Dispersión dinámica de luz – Términos estándar definidos

1. Tamaño promedio Z

      El tamaño promedio Z o valor medio Z utilizado en la dispersión dinámica de luz es un parámetro conocido también como media acumulada. Es el parámetro más importante y estable generado por esta técnica. El valor medio Z está regulado por la ISO 13321 y más recientemente por la ISO 22412, siendo el mejor valor para reportar bajo regulaciones de control de calidad. La norma ISO define este medio como el ‘diámetro promedio de intensidad armónica de las partículas’.

  El tamaño promedio Z se puede comparar con el tamaño medido por otras técnicas si la muestra es monodispersa (es decir, tiene un solo pico), de forma esférica o casi esférica, y dispersada en un medio adecuado. Esto se debe a que el valor medio Z es sensible a pequeños cambios en la muestra, como la presencia de pequeños agregados. Cabe señalar que el promedio Z es un parámetro hidrodinámico y solo aplicable a partículas dispersas o moléculas en solución. 

2. Análisis de cumulantes

     Es una manera sencilla de analizar la función de autocorrelación generada en experimentos de dispersión de luz dinámica (DLS). Los resultados están regulados por ISO 13321 y ISO 22412. Aunque el método puede generar muchos términos, en la práctica solo se usan los dos primeros.

  Es decir, el promedio para el tamaño (promedio Z) y el parámetro de polidispersidad (PdI) son los términos utilizados. El promedio Z es un valor basado en la intensidad y no debe ser confundido ni comparado directamente con el promedio en masa o número generados por otras técnicas. Los resultados están especificados en la norma ISO. Por lo tanto, cualquier sistema que utilice estos cálculos recomendados debe presentar resultados comparables si se usa el mismo ángulo de dispersión.

3. Índice de polidispersidad (Polydispersity Index)

     Este índice es un número derivado de un ajuste simple de dos parámetros a los datos de correlación (análisis de cumulantes). El índice de polidispersidad no tiene dimensiones y está escalado para que los valores menores a 0.05 casi no aparezcan, a excepción de materiales estándar altamente monodispersos. Un valor de 0.7 o más indica que la muestra tiene una distribución muy amplia y puede no ser adecuada para técnicas de DLS.

  Diversos algoritmos de distribución de tamaños operan con datos que caen entre estos dos límites. Los cálculos de este parámetro están especificados en los documentos normativos ISO 13321:1996 E e ISO 22412:2008.

4. Polidispersidad

     En dispersión de luz, la polidispersidad y el % de polidispersidad se derivan del índice de polidispersidad, un parámetro calculado a partir del análisis de cumulantes de la función de autocorrelación de intensidad medida por DLS. El análisis de cumulantes asume un modo de tamaño único de las partículas y ajusta una función exponencial única, describiendo la anchura de la distribucion gaussiana asumida. Para análisis de proteínas, un % de polidispersidad menor al 20% indica que la muestra es monodispersa. 

5. Coeficiente de difusión

     Las partículas o moléculas en suspensión o solución exhiben movimiento Browniano. Este movimiento es el resultado de impactos por las moléculas del solvente que se están moviendo debido a la energía térmica. Cuando las partículas o moléculas están expuestas a la luz láser, la intensidad de la luz dispersada varía a un ritmo constante con el tamaño de las partículas porque las partículas más pequeñas se golpean más enérgicamente y se mueven más rápido debido al impacto del solvente.

  A través del análisis de esta variación de intensidad, la velocidad del movimiento Browniano puede calcularse, permitiendo determinar el tamaño de partícula a través de la relación de Stokes-Einstein. Por lo tanto, el coeficiente de difusión define el movimiento Browniano de un analito o partícula en un ambiente específico del solvente. Este coeficiente de difusión de traslación varía según la concentración y el tipo de iones presentes en el medio, así como el tamaño y estructura superficial de la partícula.

5. Diámetro hidrodinámico

     El tamaño hidrodinámico medido por la dispersión dinámica de luz (DLS) se define como el tamaño de una esfera virtual que difunde de la misma forma que la partícula medida. Sin embargo, en la realidad, las partículas o macromoléculas en solución no son esféricas, son dinámicas (rotan) y están solvatadas. Como resultado, el diámetro derivado de las características de difusión de la partícula representa el tamaño aparente de la partícula hidratada/solvatada y dinámica. Así surgió el término diámetro hidrodinámico. Por lo tanto, el diámetro hidrodinámico o de Stokes es el diámetro de una esfera que suponiendo una capa de hidratación alrededor de la partícula o molécula, tiene el mismo coeficiente de difusión de traslación.

6. Curva de correlación – o función de correlación

(Curva de correlación – o función de correlación)

     Los datos medidos en experimentos de dispersión dinámica de luz (DLS) son una curva de correlación, que es una función de decaimiento exponencial suave para una dispersión de partículas de tamaño único. Esta curva de correlación contiene toda la información sobre la difusión de partículas en la muestra medida. Al ajustar la curva de correlación a una función exponencial, se puede calcular el coeficiente de difusión (D) (D es proporcional al plazo completo de decaimiento exponencial).

  Conociendo el coeficiente de difusión (D), el diámetro hidrodinámico puede determinarse usando una modificación de la ecuación de Stokes-Einstein. En muestras polidispersas, esta curva es una suma de múltiples decaimientos exponenciales.

7. Intersección en Y o Intercepción

     En DLS, la intercepción en Y, o simplemente intercepción, se refiere al punto donde la curva de correlación cruza el eje y en una gráfica de correlación. La intersección en Y puede ser utilizada para evaluar la relación señal-ruido del muestra medida y para juzgar la calidad de los datos. Está escalado de tal manera que una señal ideal presenta un valor de 1 y un buen sistema proporciona una intercepción de 0.6 o superior, mientras que los mejores sistemas ofrecen una intercepción de 0.9 o superior.

8. Deconvolución o algoritmo de deconvolución

(Deconvolución o algoritmo de deconvolución)

     Un enfoque basado en algoritmos para descomponer una mezcla de exponentes derivada de muestras polidispersas en múltiples valores de intensidad asociados a bandas de tamaño individuales. La distribución del tamaño de partículas obtenida de la dispersión dinámica de la luz (DLS) se deduce de la deconvolución de la función de autocorrelación de la intensidad medida de la muestra. Generalmente, esto se realiza mediante el uso del algoritmo de ajuste de mínimos cuadrados no negativos (NNLS) (un ejemplo típico es CONTIN).

9. Tasa de conteo o tasa de conteo de fotones

(Tasa de conteo o tasa de conteo de fotones)

     En DLS, simplemente es el número de fotones detectados, y comúnmente se expresa en términos de «por segundo». Es útil para determinar la calidad de la muestra al monitorizar la estabilidad como función del tiempo, así como para establecer parámetros del equipo, tales como ajustaciones de atenuadores y tiempos de análisis. La tasa de conteo debe ser al menos de un valor mínimo para tener suficiente señal para el análisis; sin embargo, todos los detectores tienen una tasa de conteo máxima en la que la respuesta se mantiene lineal. Y si la tasa de conteo no se ajusta automáticamente, es importante seguir las recomendaciones del fabricante para su ajuste.

10. Distribución de intensidad

     El resultado primario de los experimentos de DLS es la distribución de intensidad de tamaño de las partículas. Esta distribución de intensidad está naturalmente ponderada por la intensidad de dispersión de cada fracción o población de partículas. Para materiales biológicos o polímeros, la intensidad de dispersión de las partículas es proporcional al cuadrado de su masa molecular. Por lo tanto, la distribución de intensidad puede ser ligeramente engañosa en el sentido de que la presencia de pequeñas cantidades de agregados o especies de partículas grandes domina la distribución. Sin embargo, tales distribuciones pueden actuar como un detector sensible de la presencia de grandes partículas dentro de la muestra.

11. Distribución de volumen

     Aunque la distribución de tamaño primaria generada por DLS es una distribución de intensidad, puede convertirse en una distribución de volumen o masa utilizando la teoría de Mie. Esto crea una descripción que relata la proporción relativa de diferentes componentes dentro de la muestra basándose en sus volumen o masa, en lugar de su dispersión (intensidad).

  Existen cuatro suposiciones que deben aceptarse al convertir la distribución de intensidad en una de volumen o masa:

• Todas las partículas son esféricas
• Todas las partículas son homogéneas
• Las propiedades ópticas de las partículas, como el índice de refracción real e imaginario, son conocidas
• No hay errores en la distribución de intensidad

  La comprensión de estas suposiciones es especialmente importante ya que la técnica de DLS produce intrínsecamente distribuciones ampliadas por picos. Por lo tanto, siempre hay un pequeño error con las declaraciones de distribución de intensidad. Por lo tanto, las distribuciones de volumen y conteo derivadas de la intensidad son mejores para propósitos comparativos, o para estimar la proporción relativa cuando hay múltiples modos o picos, y nunca deben ser consideradas absolutas. Así, es buena práctica reportar el tamaño de los picos basado en el análisis de intensidad, reportando sólo el porcentaje relativo (no tamaño) basado en el análisis de distribución de volumen.