Динамическое рассеяние света

Принцип метода Динамическое рассеяние света (Dynamic Light Scattering, DLS) основано на анализе флуктуаций интенсивности рассеянного света, вызванных броуновским движением наночастиц в растворе. Когда монохроматический свет взаимодействует с частицами, рассеянная интенсивность изменяется во времени в зависимости от скорости их движения. Эти временные изменения фиксируются фотодетектором и обрабатываются с помощью корреляционной функции интенсивности, позволяющей определить гидродинамический радиус частиц и распределение по размерам.

Физическая основа Скорость броуновского движения описывается диффузионным коэффициентом (D), который связан с гидродинамическим радиусом частицы (R_h) через уравнение Стокса–Эйнштейна:

[ D = ]

где (k_B) — постоянная Больцмана, (T) — абсолютная температура, () — вязкость среды. Анализ автокорреляционной функции рассеянного света позволяет получить распределение частиц по их размерам, выявляя как однородные, так и полидисперсные системы.

Применение в нанохимии DLS является ключевым инструментом для изучения:

• Коллоидных систем: определение размера наночастиц металлов, оксидов, полимеров и их агрегатов.
• Стабильности нанодисперсий: отслеживание агрегации и коагуляции частиц во времени.
• Поверхностных модификаций: оценка изменения гидродинамического радиуса после функционализации поверхностей наночастиц.
• Исследования биополимеров: измерение размеров белков, пептидов и нуклеиновых кислот в растворе.

Методологические особенности Точность DLS зависит от концентрации и однородности образца. Высокие концентрации вызывают множественное рассеяние, искажая данные, а полидисперсные системы требуют сложного математического разложения корреляционной функции. Чувствительность метода позволяет измерять частицы размером от 1 нм до нескольких микрометров. Для улучшения достоверности часто применяют фильтрацию образцов и корректировку вязкости среды.

Анализ данных Результаты DLS выражаются через:

• Средний гидродинамический радиус ((R_h)) — эффективный размер частицы в растворе с учетом слоя жидкости, связанного с поверхностью.
• Полидисперсность (PDI) — мера однородности системы; низкие значения (<0,1) указывают на однородные наночастицы.
• Интенсивностное, объемное и числовое распределения — дают разные представления о системе, учитывая зависимость рассеяния от размера частиц.

Преимущества и ограничения DLS обладает высокой чувствительностью и не требует сложной подготовки образца, позволяя быстро получать данные о наночастицах в их естественной среде. Основные ограничения связаны с невозможностью прямого определения формы частиц и сложностью анализа полидисперсных или сильно анизотропных систем. Для комплексного исследования часто комбинируется с электронной микроскопией или другими методами спектроскопии.

Интеграция с другими методами DLS дополняет рентгеновскую дифракцию, электронную микроскопию и спектроскопические методы, обеспечивая информацию о динамических свойствах и размерах частиц в растворе, тогда как структурные методы дают данные о кристаллической решетке или морфологии. Такое сочетание позволяет создавать полное представление о наноматериалах и их поведении в различных средах.

Ключевые аспекты для нанохимии

• Измерение гидродинамического радиуса позволяет оценивать эффективность синтеза и стабильность наночастиц.
• Контроль полидисперсности обеспечивает предсказуемость функциональных свойств наноматериалов.
• Мониторинг времени жизни и агрегирования частиц критичен для разработки биосовместимых наноматериалов и лекарственных систем.

DLS обеспечивает уникальную возможность наблюдать наночастицы в растворе в реальном времени, что делает его фундаментальным инструментом в исследованиях нанохимических систем и разработке новых функциональных материалов.