Partikelgrößenmessung mittels dynamischer Lichtstreuung

Die Partikelgrößenverteilung der dispersen Phase stellt einen Schlüsselparameter zur Beurteilung der Prozess- oder Weiterverarbeitungseigenschaften flüssiger Dispersionen dar. Zur Bestimmung dieses Parameters stehen prinzipiell eine Vielzahl von verschiedenen Analysemethoden zur Verfügung.

Dynamische Lichtstreuung (DLS) oder auch Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) ist eine sehr verbreitete Methode zur Messung der Partikelgröße von Suspensionen und Emulsionen insbesondere im Nano- und Submikrometerbereich. Anwendung findet das Verfahren vor allem in der Biochemie- und -technologie, Pharmazie sowie im Lebensmittelbereich. Insbesondere auch dann, wenn es um sehr Kleinstmengen an Probe oder äußerst geringe Partikelkonzentrationen geht, bietet sich diese Methode an.

Messmethode/Technologie

DLS-Messprinzip
Das Prinzip der DLS – realisiert in den Messgeräten der BeNano Serie ist in der folgenden Abbildung zu sehen:

Die Teilchen in der Dispersion sind in einer konstanten Brownschen Bewegung. Diese lässt sich unter bestimmten Annahmen (z.B. kugelförmige Partikel) und unter Kenntnis weiterer Parameter (z.B. Viskosität des Mediums) mit der Stokes-Einstein-Gleichung über den Parameter Diffusionskoeffizient D_T beschreiben:

D_T = k_BT/3πηD_H

Dabei ist k_B die Boltzmannkonstante, T die (absolute) Temperatur, η die Viskosität des Dispergiermediums und D_H der hydrodynamische Durchmesser des Teilchens.

Die dynamische Lichtstreuung (DLS) ist ein optisches Verfahren zur Berechnung des hydrodynamischen Durchmessers D_H von in Dispersion befindlichen Teilchen über indirekte Messung des Diffusionskoeffizienten D_T mithilfe der Stokes-Einstein-Gleichung. Dazu wird die Dispersion, die sich in einer transparenten Standküvette befindet, mit einer monochromatischen Lichtquelle (Laser) angestrahlt, das Licht wird an den Teilchen elastisch gestreut und in einem bestimmten Winkel – bei der BeNano-Serie entweder 90° oder 173° relativ zur einfallenden Strahlung – kontinuierlich detektiert. Da sich die Teilchen kontinuierlich bewegen, schwankt die Intensität der detektierte Streuintensität I(t) durch Interferenz der Streustrahlung aufgrund der permanenten Ortswechsel der Streuzentren in Abhängigkeit von der Zeit, d.h. eine Analyse der Funktion I(t) gibt Informationen über die Beweglichkeit der streuenden Partikel.

Für die Auswertung wird bei der BeNano-Serie eine sogenannte Korrelationsanalyse durchgeführt: Prinzipiell werden ausgehend von der Intensität I(t) zu einem willkürlich gewählten Zeitpunkt t die Intensitäten I(t + τ), I(t + 2τ),… ermittelt und mit der „Ursprungsintensität“ I(t) autokorreliert, d.h. jeweils miteinander multipliziert und aufsummiert, und normiert. Die daraus resultierende Funktion G⁽²⁾(τ) heißt Korrelationsfunktion, τ ist dabei die sogenannte Korrelationszeit. Durch die Schwankung des Vorzeichens der Intensität fallen alle Korrelationsfunktionen in Abhängigkeit von τ kontinuierlich ab, bis sie den Nullwert erreichen. Große Partikel, die sich langsamer bewegen, zeigen dabei ein langsameres Abfallverhalten als kleine.

Die so bestimmte Autokorrelationsfunktion wird nun mithilfe einer geeigneten Modellfunktion angefittet, um den Diffusionskoeffizienten der Teilchen in Dispersion und daraus über die Stokes-Einstein-Gleichung den hydrodynamischen Durchmesser bzw. dessen Verteilung zu ermitteln.

Ein einfaches Modell ist die „Kummulantenmethode“: Diese Analyse ergibt als Ergebnis eine mittlere Abklingrate der Autokorrelationskurve sowie deren Verteilungsbreite. Aus der mittleren Abklingrate ergibt sich der mittlere Diffusionskoeffizient und damit hydrodynamischer Durchmesser X_DLS, aus dessen Verteilungsbreite der Polydispersitätsindex P_I, der ein Maß für die Verteilungsbreite von X_DLS darstellt.

Neben der Kummulantenmethode sind in der BeNano-Serie der sogenannte „Contin-Algorithmus“ sowie die „NNLS-Methode“ implementiert. Beide Modelle können im Gegensatz zur Kummulantenmethode auch für mehrmodale Verteilungen verwendet werden.

DLS-Rückstreutechnologie
Bei der klassischen DLS erfolgt die Detektion des Streulichtes bei einem Winkel von 90°. Neben der Vermeidung von Kanteneffekten bei rechteckigen Standardmesszellen bietet dieses Setup durch Verlagerung der Detektionszone in die Zellenmitte eine gute Statistik durch relativ lange Diffusionswege des Lichtes durch die Dispersion.

Allerdings bringt dieser Messaufbau verschiedene Nachteile:

• Durch die langen Diffusionswege ist die Charakterisierung konzentrierter Systeme aufgrund der Mehrfachlichtstreuung nicht möglich
• Durch den relativ kleinen Querschnitt der Detektionszone (siehe Abbildung unten) ist darüber hinaus das untere Konzentrationslimit, d.h. die Nachweisgrenze von Teilchen, limitiert
• Da große Teilchen in 90°-Richtung eine höhere Streuintensität haben als kleinere und damit deren Signal überdecken, führt dies oftmals zur Übergewichtung grober Teilchenpopulationen

Eine Lösung für diese Aufgabenstellungen liefert die in der BeNano-Serie verfügbare DLS-Rückstreutechnologie:

Bei diesem Setup wird das Streulicht der Partikel in einem Streuwinkel von 173° detektiert. Ein erster Vorteil ist die dadurch realisierte signifikante Vergrößerung des Querschnitts der Detektionszone, was sowohl bei Proben mit geringer Streuintensität (z.B. geringe Teilchenkonzentration) zu einem deutlich besseren Signal-Rausch-Verhältnis und damit höheren Nachweisgrenze führt. Darüber hinaus erhöht sich die Sensitivität für die Detektion kleiner Teilchen durch den Rückstreudetektionswinkel im Vergleich zu gröberen Partikeln.

Durch den variablen Abstand der Fokussierlinse des einfallenden Laserstrahl mittels einer implementierten, beweglichen Mechanik lässt sich die Detektionszone in verschiedene Bereiche der Messzelle fahren. Durch Positionierung der Zone an den Randbereich der Zelle in Richtung Laserquelle sind deutliche höhere Dispersionskonzentrationen (bis ca. 40% w/v) möglich, da Mehrfachstreuung durch lange Lichtdiffusionswege durch die Probe vermieden werden.

Literatur und Normen

/1/ ISO 13321:1996 – Particle size analysis – Photon correlation spectroscopy
/2/ ISO 22412:2017 – Particle size analysis — Dynamic light scattering (DLS)
/3/ CIT (Chemie Ingenieur Technik) 03/2022; „Nanomaterialidentifikation entsprechend EU-Definition“
/4/ CIT (Chemie Ingenieur Technik) 01-02/2023; „Partikelgrößen- und Zetapotentialmessung an verdünnten und original konzentrierten Nano-Oxidsuspensionen “
/5/ Particle World 25/2024: “BeNano series light scattering in life sciences – Now with DLS microrheology and DLS flow mode option for enhanced protein analysis”
/6/ Particle World 24/2023: “BeNano series for particle analysis: New Autotitrator and DLS” Microrheology Option”
/7/ Particle World 23/2022: “Comprehensive nanoparticle characterization with optical and acoustic methods: BeNano 180 Zeta Pro vs. DT-1202”