動的光散乱法(Dynamic Light Scattering: DLS)は、溶液中のナノメートル(1×10-9m)オーダの微粒子を計測する、最も実用的、かつ、ISOにも記載(ISO 22412:2017)された簡便な手法として知られています。その原理は、溶液中におけるナノ粒子の「運動速度」を計測し、そのデータから各種の数値計算を利用して「大きさ=径」に換算することに基づきます。

このページでは、DLSの原理やDLSを用いた測定事例、DLS分析装置をご紹介します。なお、マルバーン・パナリティカルが提供するDLS分析装置は「ゼータサイザーシリーズ」です。

DLS技術の概要

溶液中に微粒子(1μm以下)を懸濁(分散)させると、浮力と重力がつりあった状態であれば、粒子は沈降せずに自由に浮遊します。このときの浮遊状態は、溶液分子との各種の相互作用によって、液中微粒子特有の「ブラウン運動」と呼ばれるランダムな運動を始めます。この運動は、小さな粒子ほど速く、大きな粒子ほど遅くなることが知られています。

では、この粒子の速度をどのように計測するのか、考えてみましょう。この際に重要なキーワードは「レーザ」です。溶液中に懸濁している微粒子に良く位相のそろったレーザ光を照射すると、このブラウン運動の影響で粒子からの散乱光の信号は「揺らぎ(時間変動)≒光のちらつき」を持ちます。この揺らぎの間隔とブラウン運動の速度には相関性があります。

つまり、

  • 小さい粒子 → 速い間隔で「揺らぐ」
  • 大きな粒子 → 遅い間隔で「揺らぐ」

という関係性です(図1.)。


図1.粒子径と散乱強度の揺らぎの相関


ここで重要なのは、微弱な散乱光の「揺らぎ」を精度高く計測するためには、環境ノイズや振動などにも注意するほか、高精度な電子回路の設計と、レーザ光の位相・出力ができるだけ安定している必要があることです。とくにレーザに関しては、一般的に、半導体レーザよりもガスレーザのほうが発振する位相・出力ともに安定しているので、DLS測定に向いています。マルバーン・パナリティカルで、DLS装置にガスレーザを採用しているのはこのためです。

さて、精度高く散乱光揺らぎを計測すれば、あとは解析となります。ここで用いるのは、「液中分散したナノ粒子の大きさを見積もる場合、「拡散係数」と呼ばれる物理パラメータを用いると、粒子の大きさはその拡散係数に依存して計算できる」としたアインシュタイン・ストークス理論です。この拡散係数を見積もるために、散乱光信号の「揺らぎ」を「自己相関関数(Auto Correlation Function)」に変換します。この関数を用いて拡散係数を得ることで、平均粒子径や多分散指数を求める方法を光子相関法(Photon Correlation Spectroscopy:PCS)と呼びます。


図2.粒子径と自己相関関数の関係性


この自己相関関数プロファイルの意味を少し考えてみます(図3.)。自己相関関数が1の状態(Correlation 1)では、粒子はまだ動いていないので散乱強度に変化はありません。そこから時間が経過すると、粒子はランダムなブラウン運動を開始するので、一定時間が経過すると、「1」から「0」の状態に変化します。「1」から「0」になるということは、最初の位置から粒子がいなくなるので、散乱強度が減衰します。

粒子径が小さい場合、速いブラウン運動をしているので、1から0になるまでの時間が短くなるため、散乱光減衰の開始時間も早くなります。このため、自己相関関数が0に収束する時間が早くなります(図3.青線)。それに対して大きな粒子は、ブラウン運動が遅いために1から0になるまでに時間を要すため、自己相関関数の0に収束する時間が遅くなります(図3.赤線)。これらの挙動を表現するパラメータが拡散係数ということになり、自己相関関数プロファイルを解析することで、拡散係数を見積もることができます。


図3.小粒子と大粒子の自己相関関数


自己相関関数に対して、各種数値計算(フィッティング)をすることで拡散係数を求め、粘度等のパラメータを考慮して、各種の「粒子径」を解析します。具体的には、「キュムラント解析」を実施すると、キュムラント径や多分散指数(分布の度合い)が求まりますし、「NNLS法(非負最小二乗法)」などの解析を実施すると、粒子径分布が得られます(下図4.)。これらの計算法は複数あり、どの方式で解かれたかを理解することで、より多角的に解析を行うことができます。


図4.光子相関法の解析の流れ

DLSの原理を学べるトレーニング情報

これまで述べてきたように、現実には、DLSは環境のノイズ成分、周期振動、光源そのものの揺らぎなども測定系に影響を及ぼします。さらに、数値フィッティングにより、分布幅や算出粒子径の大きさが変わります。したがって、測定は簡便な手法ですが、結果を正しく解析するためには、多くのことを理解することが、重要な手法になります。

マルバーン・パナリティカルでは、このような原理・現実に即したユーザ様向け・購入検討中のお客様向けのトレーニングを定期的に実施しています。是非ご活用ください。

DLSを用いた測定事例(アプリケーションノート)

マルバーン・パナリティカルのDLS分析装置による測定事例をご紹介します。リンクをクリックして、資料をダウンロードしてご覧ください。

  • 後方散乱を用いた結晶化用タンパク質サンプルの評価
    ゼータサイザーナノZSを用いて、タンパク質結晶化工程の簡略化検討した実験を行ないました。測定の原理と効果、実験結果は、アプリケーションノートをダウンロードしてご覧ください。
  • 動的光散乱法を用いた顔料インクの粒子径測定
    ゼータサイザーナノZSを用いて、微粒子化された顔料インクの評価測定を行ないました。顔料インク測定結果は、アプリケーションノートをダウンロードしてご覧ください。
  • 混合ナノ粒子の分画およびサイズ評価 ―沈降速度法および動的光散乱法を用いて―
    2種類のラテックス粒子を混合したサンプルを用いて、ショ糖密度勾配液を用いた沈降速度法による分離を試み、ゼータサイザーナノZSを用いて、各分画を同定しました。測定結果は、アプリケーションノートをダウンロードしてご覧ください。
  • 粘度と粒子径の関係
    DLS測定においては適正な粘度計で得た粘度値を基に粒子径分布の計算させることが重要です。正確な粘度値であるかどうか検定するため、ゼータサイザーを用いて試験を行ないました。試験結果は、アプリケーションノートをダウンロードしてご覧ください。

マルバーン・パナリティカルのDLS製品

マルバーンの動的光散乱法には、以下の利点があります。

  • 1~2分で正確で信頼でき、再現可能な粒子径分析
  • 自然環境中での材料測定
  • 平均サイズの取得に必要なのは、液体の粘度に関する知識のみ
  • シンプル、簡単な試料準備、高濃度のサンプルも直接測定可能
  • 簡単なセットアップで完全自動化測定
  • 測定可能サイズ範囲 < 1nm
  • 測定可能分子量 < 1000Da
  • 小容量要件(わずか2µL)
  • 標準規格準拠: ISO 22412:2017, 21 CFR Part 11

製品について詳しくは、以下のページからご覧ください。