Динамическое рассеяние света

Динамическое рассеяние света (Dynamic Light Scattering, DLS), также известное как фотон-корреляционная спектроскопия, является ключевым методом исследования размерных характеристик супрамолекулярных систем в растворе. Этот метод позволяет определять гидродинамический радиус частиц, их дисперсность, а также изучать взаимодействия между молекулами и агрегатами.

Принцип метода

DLS основан на измерении флуктуаций интенсивности рассеянного света, возникающих вследствие броуновского движения частиц в растворе. Молекулы и их комплексы непрерывно перемещаются, вызывая стохастические изменения в интенсивности рассеянного света. Эти изменения анализируются с помощью автокорреляционной функции, которая позволяет извлечь информацию о скорости движения частиц.

Ключевое уравнение, связывающее наблюдаемую корреляцию со скоростью диффузии, имеет вид:

[ D = ]

где:

    1. — коэффициент диффузии;
  • (k_B) — постоянная Больцмана;
    1. — температура;
  • () — вязкость растворителя;
  • (R_h) — гидродинамический радиус частицы.

Таким образом, из измеренного коэффициента диффузии можно рассчитать размер частиц в растворе.

Применение в супрамолекулярной химии

В супрамолекулярной химии DLS используется для:

  1. Определения размеров агрегатов и комплексов. С помощью DLS можно измерить радиус мицелл, кластеров или комплексов “гост–хозяин” с точностью до нескольких нанометров.
  2. Исследования кинетики сборки и разборки супрамолекул. Изменение корреляционных функций во времени позволяет отслеживать динамику формирования и распада комплексов.
  3. Оценки полидисперсности систем. DLS позволяет выявлять наличие как моно-, так и полидисперсных распределений, что важно для контроля качества наноконструкций.
  4. Контроля влияния растворителя и температуры. Изменение условий среды часто приводит к изменению размеров и формы агрегатов, что легко фиксируется методом DLS.

Технические аспекты и ограничения

Для успешного применения DLS необходимо учитывать несколько факторов:

  • Концентрация образца. Высокие концентрации приводят к множественным рассеяниям, искажая результаты. Оптимальные диапазоны концентраций зависят от природы частиц.
  • Чистота раствора. Присутствие пыли или крупных примесей сильно влияет на сигнал, так как интенсивность рассеяния пропорциональна шестой степени радиуса частиц.
  • Форма частиц. DLS предполагает сферическую форму частиц для расчёта радиуса. Аномальная форма может вносить систематическую ошибку.
  • Температурная стабильность. Коэффициент диффузии чувствителен к температуре, поэтому измерения проводят при строгом контроле температуры.

Комбинирование с другими методами

DLS часто используется совместно с атомно-силовой микроскопией (AFM), просвечивающей электронной микроскопией (TEM) и спектроскопическими методами для подтверждения размеров, морфологии и структуры супрамолекул. Такой мультикомплексный подход позволяет получить более полное представление о динамике и организации наноструктур в растворе.

Преимущества метода

  • Быстрота измерений — результаты получают за секунды или минуты;
  • Безразрушительность — образец не подвергается химической модификации;
  • Чувствительность к нанометровым размерам — возможность анализа даже малых агрегатов;
  • Простота подготовки образца — достаточно прозрачного раствора без оптических помех.

DLS является незаменимым инструментом для изучения динамических свойств супрамолекул, позволяя сочетать количественное определение размеров с анализом кинетики и агрегатного поведения.

Оглавление