15 Nov Dispersión de luz dinámica: definición de términos comunes
Dispersión de luz dinámica DLS: glosario y parámetros clave
La dispersión de luz dinámica (DLS) permite la medición del tamaño hidrodinámico de partículas en dispersión, cuantificando el movimiento por difusión.
Existen varias fuentes que ofrecen una descripción matemática de los términos utilizados en dispersión de luz, aunque no siempre resultan útiles para comprender su aplicación práctica (Ref. 1–6). La lista que sigue brinda una definición descriptiva de cada término en el contexto específico de DLS.
Tamaño promedio z
El tamaño promedio z empleado en DLS es un parámetro también conocido como media cumulante. Se trata del parámetro principal y más estable generado por la técnica, y constituye el mejor valor a informar en un entorno de control de calidad, dado que está definido en las normas ISO 13321 e ISO 22412 como el “diámetro de partícula armónico ponderado por intensidad”.
El tamaño promedio z solo es comparable con el de otras técnicas si la muestra es monomodal, de forma esférica o casi esférica, monodispersa y preparada en un dispersante apto. Es un parámetro hidrodinámico y, por lo tanto, solo aplica a partículas en dispersión o moléculas en solución.
Análisis de cumulantes
Método simple que analiza la función de autocorrelación generada por DLS, definido en las normas ISO 13321 y 22412. Produce una serie de valores, pero solo los dos primeros se emplean en la práctica: el tamaño medio (promedio z) y el índice de polidispersidad (PdI). El promedio z es un valor calculado en base a la intensidad, y no debe confundirse con la media de masa o de número derivada de otros métodos.
Índice de polidispersidad (PdI)
Número adimensional calculado a partir de 2 parámetros ajustados a los datos de correlación. Los valores inferiores a 0,05 rara vez se observan salvo con patrones altamente monodispersos; los valores superiores a 0,7 indican una distribución muy amplia, probablemente no apta para DLS. Los cálculos están definidos en las normas ISO 13321:1996E y 22412:2008.
Polidispersidad
En dispersión de luz, los términos polidispersidad y % de polidispersidad derivan del índice de polidispersidad, calculado a partir del análisis de cumulantes de la función de autocorrelación medida por DLS. Presupone un único tamaño de partícula y describe la amplitud de la distribución gaussiana presumible. En análisis de proteínas, un porcentaje de polidispersidad menor a 20 indica muestra monodispersa.
Coeficiente de difusión
Las partículas en suspensión experimentan movimiento browniano, inducido por las moléculas del disolvente a causa de su energía térmica. Al iluminar las partículas con láser, la intensidad de la luz dispersa fluctúa a una velocidad que depende del tamaño de las partículas. El análisis de estas fluctuaciones permite obtener la velocidad del movimiento browniano y, mediante la relación Stokes-Einstein, el tamaño de partícula. El coeficiente de difusión traslacional depende del tamaño del núcleo, de la estructura de superficie y de la concentración y tipo de iones en el medio.
Diámetro hidrodinámico
El tamaño hidrodinámico medido por DLS se define como el tamaño de una esfera rígida hipotética que se difunde del mismo modo que la partícula medida. En la práctica, las partículas en solución no son esféricas ni rígidas, por lo que el diámetro calculado a partir de sus propiedades difusionales representa el tamaño de la partícula hidratada y solvatada en movimiento. El diámetro hidrodinámico (o de Stokes) es el diámetro de una esfera con el mismo coeficiente de difusión traslacional que la partícula medida, asumiendo una capa de hidratación circundante.
Curva de correlación o función de correlación
Los datos medidos en un experimento DLS conforman la curva de correlación, que para una dispersión de partículas de tamaño único debe ser una función exponencial de descomposición única y gradual. Contiene toda la información sobre la difusión de partículas en la muestra. Ajustando la curva con la función exponencial se obtiene el coeficiente de difusión (D), proporcional a la vida útil de la descomposición. A partir de D se calcula el diámetro hidrodinámico mediante la ecuación de Stokes-Einstein. En muestras polidispersas, la curva es la suma de varias descomposiciones exponenciales.
Intercepta Y
En DLS, la intercepta Y hace referencia a la intersección de la curva de correlación sobre el eje y del correlograma. Es útil para evaluar la relación señal-ruido de la muestra y examinar la calidad de los datos. Una señal ideal arroja un valor de 1; un buen sistema genera interceptas superiores a 0,6, y los mejores sistemas superan 0,9.
Deconvolución o algoritmo de deconvolución
Abordaje basado en un algoritmo que resuelve una combinación de exponenciales derivadas de una muestra polidispersa y la convierte en valores de intensidad asociados a bandas de tamaño discretas. La distribución de tamaño en DLS se obtiene de la deconvolución de la función de autocorrelación de intensidad medida. Se logra generalmente con el algoritmo de mínimos cuadrados no negativos (NNLS), siendo CONTIN el método más conocido.
Tasa de conteo de fotones
En DLS, hace referencia al número de fotones detectados, expresado habitualmente por segundo. Sirve para determinar la calidad de la muestra, controlar su estabilidad como función del tiempo y establecer parámetros de instrumento como la configuración del atenuador. La tasa de conteo debe superar el mínimo para garantizar suficiente señal; al mismo tiempo, todos los detectores tienen una tasa máxima de respuesta lineal que no debe superarse.
Distribución de la intensidad
El resultado primario de un experimento DLS es la distribución de la intensidad del tamaño de partícula, ponderada por la intensidad de dispersión de cada fracción. Para materiales biológicos o polímeros, la intensidad de dispersión es proporcional al cuadrado del peso molecular. Una pequeña cantidad de agregación o partículas grandes puede dominar la distribución, aunque esta resulta útil como detector sensible de material de gran tamaño.
Distribución de volumen
La distribución de intensidad generada por DLS puede convertirse, mediante la teoría de Mie, a una distribución de volumen que describe la proporción relativa de múltiples componentes según su masa o volumen. Esta conversión requiere aceptar cuatro supuestos:
- Todas las partículas son esféricas.
- Todas las partículas son homogéneas.
- Las propiedades ópticas de las partículas son conocidas (componentes real e imaginario del índice de refracción).
- No existe error en la distribución de intensidad.
Dado que DLS produce distribuciones con amplitud de pico inherente, siempre habrá algún error en la distribución de intensidad. Por ello, las distribuciones de volumen y número se utilizan principalmente con fines comparativos o para estimar proporciones relativas entre modos, y nunca deben considerarse absolutas. Se recomienda informar el tamaño del pico a partir del análisis de intensidad, y los porcentajes relativos (no el tamaño) a partir del análisis de distribución de volumen.
Correlación adaptativa
Los instrumentos DLS controlan la cantidad de luz dispersa por partículas difusivas. En el rango del Zetasizer Nano, se descarta el 50% de las subcorridas con tasas de conteo más elevadas para reducir el impacto de contaminantes. El nuevo Zetasizer emplea un abordaje estadístico en el que cada subcorrida se analiza individualmente y se clasifica como dato de estado estacionario o transitorio según cuánto difiere estadísticamente de las demás.
Datos de estado estacionario
Describen las partículas que constantemente forman parte del volumen de medición y son características de toda la muestra analizada. El PdI de cada subcorrida es el parámetro clave de clasificación, dado que es especialmente susceptible a la presencia de poblaciones extensas y a otros efectos en la función de correlación.
Datos transitorios
Son partículas no representativas del volumen de detección ni del grueso de la muestra (agregados, polvo u otros contaminantes). Su frecuencia puede verificarse en el parámetro “Correr retención”, que indica el porcentaje de corridas incluidas en el análisis de estado estacionario. Los datos transitorios nunca se eliminan del análisis y pueden mostrarse de forma independiente o junto a los resultados no filtrados, permitiendo al analista evaluar la mejora que aporta la correlación adaptativa.
Una ventaja adicional de la correlación adaptativa es la reducción del tiempo de análisis: 10 subcorridas de un segundo producen resultados más repetibles que una subcorrida de diez segundos. En el nuevo Zetasizer, el número y la duración de las subcorridas se determinan automáticamente hasta el punto en que añadir más datos no mejora significativamente la confianza del resultado.
MADLS (dispersión de luz dinámica multiangular)
Las partículas mayores a 1/10 del λ del láser muestran dependencia angular en la intensidad de luz dispersa. El Zetasizer Ultra incorpora tres detectores posicionados a distintos ángulos (posterior, lateral y frontal) para obtener un único resultado de mayor resolución. MADLS combina la información obtenida a distintos ángulos y produce una distribución de tamaño de mayor resolución que el análisis convencional de un solo ángulo. Los resultados se expresan principalmente como distribuciones ponderadas por volumen, aunque también pueden convertirse a intensidad y a distribución según número. El rango de concentraciones utilizables es más limitado que en el análisis NIBS®.
Concentración de partícula
Midiendo el tamaño de partícula y la intensidad angular de la luz dispersa, y sustrayendo la intensidad del buffer de fondo, el Zetasizer Ultra puede determinar el número de partículas por mL de solución. En muestras con distintas poblaciones, produce una concentración confiable por cada población, utilizando los mismos principios de MADLS. Los resultados se expresan como concentración acumulada, concentración distribuida o valor total de concentración de partículas. Aunque aparece como medición independiente en el software ZS XPLORER, es una extensión de una medición DLS multiangular y también entrega un resultado MADLS.
Medición de partículas grandes con Zetasizer Ultra en celda de dimensionado de bajo volumen
En el rango máximo de tamaño para DLS, la sedimentación, las corrientes térmicas y las fluctuaciones de número pueden afectar la exactitud del movimiento difusivo detectado. Esta nota de aplicación analiza cómo la celda de dimensionado desechable de bajo volumen mejora la calidad de los datos en partículas de gran tamaño, permitiendo explorar el rango completo de DLS sin modificar el dispersante.
Sedimentación
A mayor tamaño de partícula, el movimiento browniano térmico ya no es suficiente para mantener las partículas suspendidas. Sin embargo, las escalas de tiempo asociadas a la sedimentación son mucho mayores a los tiempos de correlación utilizados en una medición DLS típica, incluso considerando diferencias de densidad de material, por lo que la sedimentación no es el factor dominante de distorsión durante la medición.
Efectos térmicos
La medición de partículas mayores a 1 µm puede mostrar variabilidad como función de temperatura. El modelado térmico de una cubeta de 10 mm muestra que su geometría admite la formación de corrientes de convección. En cambio, un tubo capilar con control de temperatura similar no las admite, debido a las limitaciones impuestas por sus estrechas secciones transversales. Con partículas más grandes, la difusión es más lenta y su mayor sección transversal las hace más susceptibles a dichas corrientes.
Resultados y consideraciones
Se prepararon partículas de látex de poliestireno de distintos tamaños en solución de NaCl 10 mM y se midieron tanto en la celda de dimensionado desechable de bajo volumen como en la cubeta estándar de 10 mm. Las mediciones en cubeta resultaron fuera del rango especificado en torno a 1 µm, mientras que las realizadas en tubo capilar fueron confiables y exactas hasta 10 µm, sin modificación del dispersante.
Para demostrar el desempeño en muestras polidispersas, se tomó una muestra de suelo del Reino Unido y se la dispersó en agua ultrapura. Las mediciones en cubeta mostraron barras de error elevadas, mientras que las realizadas con tubo capilar brindaron mayor resolución y repetibilidad optimizada para el rango de 100 nm a más de 1 µm.
Conclusión
Las corrientes térmicas constituyen el fenómeno dominante que genera artefactos en la función de correlación en el rango superior de tamaño medible por DLS. La geometría del tubo capilar de 1 mm empleada en la celda de dimensionado desechable de bajo volumen elimina las corrientes de convección, permitiendo mediciones exactas en todo el rango de DLS sin modificar el dispersante, con mejorada repetibilidad frente a la cubeta estándar.
Más información: https://www.malvernpanalytical.com/es