Динамическое рассеяние света

Динамическое рассеяние света (Dynamic Light Scattering, DLS) является одним из ключевых методов исследования коллоидных систем, наночастиц и макромолекул в растворах. Метод основан на анализе флуктуаций интенсивности рассеянного света, обусловленных броуновским движением частиц. Скорость этих флуктуаций напрямую связана с размером частиц и их диффузионной подвижностью. DLS позволяет получать информацию о гидродинамическом радиусе частиц без их непосредственного визуального наблюдения.

Принцип измерения

Основной принцип метода заключается в регистрации времени зависимой корреляции интенсивности рассеянного света. Лазерный источник направляется на коллоидный раствор, и детектор фиксирует рассеянный свет под определённым углом. Броуновское движение частиц вызывает непрерывные флуктуации интенсивности, которые анализируются с помощью корреляционной функции второго порядка G₂(τ):

G₂(τ) = ⟨I(t) ⋅ I(t + τ)⟩

где I(t) — интенсивность рассеянного света в момент времени t, τ — временной лаг. Из корреляционной функции вычисляется коэффициент диффузии D, который связан с гидродинамическим радиусом частиц R_h через уравнение Стокса–Эйнштейна:

$$ R_h = \frac{k_B T}{6 \pi \eta D} $$

где k_B — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, η — вязкость растворителя.

Особенности интерпретации данных

Гидродинамический радиус характеризует частицу с учётом адсорбированных молекул растворителя и возможных оболочек стабилизатора. Он отличается от геометрического радиуса, измеряемого, например, электронным микроскопом.

Полидисперсность системы влияет на корреляционную функцию: в случае однородных частиц G₂(τ) описывается экспоненциальным спадом, а для полидисперсных систем требуется применение методов инверсии, таких как CONTIN или cumulant-анализ.

Угловая зависимость рассеяния позволяет различать изотропное и анизотропное движение частиц, а также оценивать их форму и ориентационную подвижность.

Применение метода

• Оценка размера наночастиц и коллоидов: DLS используется для быстрого определения средних размеров и распределения частиц по размеру в растворах.
• Контроль агрегирования: метод позволяет выявлять агрегацию, флоккуляцию или осаждение частиц в реальном времени.
• Изучение молекул биополимеров: белки, полисахариды и другие макромолекулы исследуются в физиологических условиях без необходимости нанесения на подложку.
• Характеризация наноматериалов: оценка эффективности стабилизации, изменения размеров под действием температуры, рН или ионной силы.

Ограничения метода

• Концентрация частиц должна быть оптимальной: слишком высокая приводит к множественному рассеянию, слишком низкая — к низкому сигналу.
• Флуктуации интенсивности сильно зависят от прозрачности среды и наличия крупных загрязнений.
• Чувствительность к форме частиц: DLS лучше подходит для сферических объектов; для сильно анизотропных частиц требуется комплексный анализ или дополнительные методы.

Технические аспекты

Используются лазеры с различными длинами волн (обычно 632–660 нм), чувствительные фотодетекторы и высокочастотные корреляторы. В современных установках применяются автоматические системы калибровки и программное обеспечение для анализа полидисперсных распределений. Контроль температуры и вязкости растворителя является критическим для точного расчёта гидродинамического радиуса.

Сравнение с другими методами

• Статическое рассеяние света (SLS) даёт молекулярную массу и радиус вращения, но не обеспечивает информации о броуновской подвижности.
• Электронная микроскопия позволяет визуализировать форму и размер частиц, однако не учитывает адсорбированные слои и динамические процессы.
• Наноперспективные методы, такие как NTA (Nanoparticle Tracking Analysis) отслеживают движение отдельных частиц, предоставляя более детализированное распределение, но требуют более сложной обработки данных.

DLS остаётся ключевым инструментом коллоидной химии благодаря своей скорости, минимальной подготовке образцов и возможности получать динамическую информацию о частицах в растворах.