Lichtstreuung 4.0 Partikelgröße und Stabilität einfach per Lichtstreuung messen

Mithilfe der Dynamischen Lichtstreuung lässt sich die Größe von Partikeln zuverlässig bestimmen. Durch technologische Weiterentwicklungen und Kombination unterschiedlicher Methoden erlaubt sie heute vielseitige Applikationen, ist einfach, effizient und erreicht gute Auflösungen.

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Shimadzu Deutschland GmbH

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Die Charakterisierung von partikulären Systemen hat in den letzten Jahrzehnten stark an Bedeutung gewonnen. Dies ist u.a. dadurch zu erklären, dass die Größe der verwendeten Nanopartikel maßgeblich die Parameter beeinflusst, die für den Endverbraucher erfahrbar sind, wie die Optik (Farben und Lacke), Haptik oder andere Sinneswahrnehmungen. Für den Hersteller stehen weitere Parameter im Vordergrund, welche ebenfalls über die vorliegende Größenverteilung abgeschätzt werden können. In der Pharmazie ist es beispielsweise die Wechselwirkung mit biologischen Systemen (Toxizität) oder die Stabilität von Cremes und Emulsionen. Letzteres ist auch in der Nahrungsmittelindustrie relevant.

Die Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist als schnelle, effiziente und in-situ-Methode zur Bestimmung von Partikelgrößen sowohl in der akademischen als auch industriellen Forschung etabliert. Aktuelle Messgeräte kombinieren unterschiedliche Methoden der Lichtstreuung, um die Vielfalt an Applikationen zu erhöhen. Hier sind vor allem die Möglichkeiten der Stabilitätsanalyse, Molmassenbestimmung, Transmissionsmessung und die Bestimmung des Brechungsindexes zu nennen.

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Messmethode der Dynamischen Lichtstreuung (DLS)

• Messprinzip und Messbereich: Um die Größe von Partikeln in Lösung zu bestimmen, misst die DLS-Methode die so genannte Brownsche Molekularbewegung, welche die zufällige Bewegung eines in Lösung befindlichen Partikels beschreibt. Daraus lässt sich die Partikelgröße berechnen. Um die Molekularbewegung zu analysieren, wird ein Laserstrahl auf die Probe geleitet. Das Laserlicht wird an den dispergierten Partikeln gestreut, sodass eine typische Intensität des gestreuten Lichts zeitabhängig detektiert wird. Sich schneller bewegende (kleine) Partikel verursachen eine schnellere zeitliche Variation des Streulichts als große Partikel. Das Wissen über die zeitliche Fluktuation des Messsignals ist ausreichend, um Aussagen über die Partikelgröße (genauer: den hydrodynamischen Radius) zu machen. Physikalische Grenzen erlauben die Untersuchung von Partikeln im Bereich von 0,3 nm bis 10 µm. Diese Werte können je nach Materialsystem leicht variieren.

• Qualitative Hardware und Software sind das A und O: Um die geringen Variationen der Streuintensität zu analysieren, ist eine hochwertige Optik in Kombination mit einem empfindlichen und besonders schnellen Detektor unentbehrlich – die Zeitauflösung liegt im Bereich einiger Nanosekunden! Eines der modernsten DLS-Messgeräte auf dem Markt ist die aktuelle Litesizer-Serie von Anton Paar. Diese Geräte besitzen eine nach außen abgeschirmte optische Bank, sodass Einflüsse von Staub, Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen oder mechanische Vibrationen minimiert werden. Eine maximale Wartungsfreiheit sowie eine hohe Effizienz sind die erklärten Vorteile.

Polydisperse Proben messen

Die Untersuchung von Proben, deren Partikel aus mehreren Größenverteilungen bestehen (multimodale Verteilungen), ist eine Herausforderung für DLS-Geräte. Allgemein galt die Methode lange als unzureichend in der Auflösung, da mehrere Größenverteilungen meist zu einem Peak verschmierten. Durch die Optimierung von mathematischen Modellen ist es inzwischen möglich, selbst trimodale Verteilungen zu erkennen und aufzulösen (s. Abb. 2).

Als Beispiel ist im Folgenden die Größenverteilung einer Mischung von Latexpartikeln gezeigt. Für die Messung wurden drei NIST-Latexstandards kombiniert und mit 10 mM Natriumchlorid-Lösung verdünnt.

Bei multimodalen Verteilungen stammt der größere Anteil der Streuintensität von den großen Partikelfraktionen. Die Streuintensität skaliert mit der sechsten Potenz des Partikelradius. Um unterschiedliche Verteilungen differenzieren zu können, sollten sie etwa um den Faktor 3 voneinander entfernt liegen.

Für sehr weit gespreizte Verteilungen kann die hohe Gewichtung der großen Partikel Vorteile haben: Das Vorhandensein von Agglomeraten, Staub oder anderen Verunreinigungen in einer Lösung kann anhand von überhöhten Streuintensitäten einfach und zuverlässig festgestellt werden. Durch die Wahl von verschiedenen Messwinkeln ermöglichen es moderne Messgeräte, den Fokus auf die Detektion von Agglomerationen zu richten, oder auch sehr trübe oder optisch dichte Lösungen optimal zu vermessen.

Stabilitätsanalysen von partikulären Systemen

Wie anfangs angedeutet, können DLS-Messgeräte technisch erweitert werden, um Stabilitätsanalysen von partikulären Systemen über elektrophoretische Lichtstreuung (ELS) durchführen zu können. ELS beruht auf der Bewegung von dispergierten Partikeln in einem elektrischen Feld. Die Partikelbewegung ist gerichtet, wobei die Bewegungsrichtung das Vorzeichen der Partikelladung und die Geschwindigkeitskomponente das Maß der Partikelladung angibt. Der wesentliche Parameter ist das Zetapotenzial. Partikel mit hoher Ladung stoßen sich gegenseitig ab und verbleiben stabil in Lösung, während bei zu geringer Ladungsausprägung die anziehenden Kräfte überwiegen und es zur Agglomeration kommen kann (instabiler Zustand).

Die PALS-Methode

Die PALS-Methode (PALS = phase analysis light scattering) ist ein interferometrisches Verfahren: Das gestreute Licht aus der Probe wird mit einem Referenzstrahl überlagert. Aufgrund von Interferenz bildet sich eine Schwebung aus, deren Frequenz der Dopplerverschiebung des Streulichts entspricht. Um die Stabilität der Messung zu erhöhen und um positive und negative Ladungen unterscheiden zu können, wird der Referenzstrahl phasenmoduliert. Die Modulation erfolgt über ein Piezoelement, wofür eine Sinusfunktion als Modulationsfrequenz angenommen wird. Dies ist allerdings nur für perfekt lineare Modulatoren eine gute Annahme. Aufgrund von Alterung und einem nicht-linearen Reaktionsverhalten des Piezos führt diese Annahme unweigerlich zu Messfehlern.

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Beim moderneren Verfahren cmPALS (continuous monitored PALS) wird ein zusätzlicher Detektor verwendet (s. Abb. 3). Er misst die Schwebung aus moduliertem und unmoduliertem Referenzstrahl, sodass Messartefakte durch den Piezo in Echtzeit berücksichtigt werden. Dadurch wird garantiert, dass der Anteil der Frequenzverschiebung auf die reale Partikelbewegung zurückzuführen ist und korrekt ermittelt wird. Nichtlinearitäten und Instabilitäten des Modulators werden inhärent ausgeglichen.

Technische Fortschritte zwischen PALS und cmPALS zeigen sich vor allem beim direkten Vergleich (s. Tab. 1). Die Messdurchführung wird in kürzerer Zeit realisiert, der Messfehler minimiert sich und die Reproduzierbarkeit wird enorm verbessert. Insbesondere wenn aufgrund der Sensibilität der Messprobe (z.B. Proteine) nur schwache elektrische Felder genutzt werden können, spielt die neue cmPALS-Methode ihre Stärken aus.

Neben der patentierten cmPALS-Methode ist die neuentwickelte Omega-Küvette von Anton Paar ein wichtiger Grund für die signifikante Verbesserung der Messqualität.

Bisherige Zetapotenzial-Küvetten nutzten einen U-förmigen Strömungskanal, welcher im Bereich des Messpunktes eine starke Inhomogenität des elektrischen Feldes aufzeigt. Die Omega-Form garantiert am Ort der Messdurchführung ein besonders homogen verteiltes elektrisches Feld.

Mit cmPALS in Kombination mit der Omega-Küvette konnte die Empfindlichkeit und Stabilität der Laser-Doppler-Elektrophorese-Messungen erheblich verbessert werden.

* Dr. B. Arlt, V. Fronk: Anton Paar Germany GmbH, 73760 Ostfildern

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