Statische Lichtstreuung (SLS)

Die statische Lichtstreuung (SLS) zählt zu den fortschrittlichsten und präzisesten Methoden zur Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Materialien im Nano- und Mikroskopbereich. Diese Methode, die auf der Wechselwirkung von Laserlicht mit in einem flüssigen oder gasförmigen Medium suspendierten Partikeln basiert, hat in den letzten Jahrzehnten in Forschung und Industrie erheblich an Bedeutung gewonnen. Die Analyse der Intensität und der Eigenschaften des gestreuten Lichts liefert wertvolle Informationen über die Molmasse, die Partikelgrößenverteilung, den Trägheitsradius (Rg) und die Gesamtstruktur des Materials.

In diesem Artikel werden wir das Funktionsprinzip von SLS, seine Unterschiede zu ähnlichen Methoden, Anwendungsgebiete und wichtige Aspekte der Anwendung der Methode betrachten.

Das Prinzip der statischen Lichtstreuung

Wenn ein Laserstrahl auf eine Lösung mit Partikeln oder Molekülen trifft, wird ein Teil des Lichts absorbiert, ein Teil transmittiert und ein Teil von den Partikeln gestreut. Bei der SLS-Methode ist die Intensität des unter verschiedenen Winkeln gestreuten Lichts entscheidend.

Die Stärke dieser Streuung hängt von folgenden Faktoren ab:

Das durchschnittliche Molekulargewicht eines Partikels oder Moleküls.
Probenkonzentration
Brechungsindex des Mediums und der Probe
Messen eines Winkels

Die grundlegende Gleichung dieser Methode ist die Debye-Scherrer-Gleichung, welche den Zusammenhang zwischen Dispersionsintensität, Molekülmasse und Trägheitsradius erklärt.

Der Unterschied zwischen SLS und DLS

Viele verwechseln die SLS-Technologie mit der dynamischen Lichtstreuung (DLS) , obwohl es wichtige Unterschiede zwischen den beiden Technologien gibt:

SLS (Steady-State): misst die Intensität des im stationären Zustand gestreuten Lichts und liefert Informationen über die absolute Molekülmasse, den Trägheitsradius und die Gesamtstruktur des Moleküls.
DLS (dynamisch): basiert auf der Veränderung der Dispersionsintensität im Laufe der Zeit und wird hauptsächlich zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung und der Brownschen Bewegung verwendet.

Kurz gesagt, liefert SLS „statische und strukturelle“ Informationen, während DLS „dynamische und kinetische“ Informationen liefert.

Die Hauptkomponenten eines statischen Lichtdiffusors

Ein SLS-System umfasst typischerweise die folgenden Komponenten:

Laserlichtquelle: Erzeugt stabiles monochromatisches Licht mit einer bestimmten Wellenlänge.
Chinesisch: Ein transparenter Behälter zur Aufbewahrung von Proben.
Detektor: Erfasst die Intensität von Licht, das sich in verschiedenen Winkeln ausbreitet.
Temperaturregelungssystem: Sorgt für stabile Umgebungsbedingungen, da Temperaturschwankungen die Ergebnisse beeinflussen können.
Analyseprogramm: Berechnet Molekulargewicht und Trägheitsradius und analysiert Daten.

Anwendungen der statischen Lichtstreuung

1. Polymere und Biopolymere

In der Polymerindustrie wird die SLS-Technologie zur Bestimmung des Molekulargewichts und des mittleren Molekulargewichts sowie zur Untersuchung der Struktur von Polymerketten eingesetzt. Für Biopolymere wie Desoxyribonukleinsäure (DNA), Desoxyribonukleinsäure (RNA) und Proteine liefert diese Methode detaillierte Informationen über den Assemblierungsprozess sowie über die Tertiär- und Quartärstruktur.

2. Nanomaterialien und Kolloide

SLS ist eine grundlegende Methode zur Untersuchung von metallischen, halbleitenden und keramischen Nanopartikeln und kann zur Untersuchung der Aggregationsrate und Stabilität kolloidaler Lösungen verwendet werden.

3. Pharmazeutika und Biotechnologie

In der Forschung und Entwicklung biopharmazeutischer Produkte wie Antikörper, Impfstoffe und rekombinante Proteine spielt die SLS eine entscheidende Rolle bei der präzisen Bestimmung des Molekulargewichts und der Reinheit von Proben. Sie hilft auch beim Nachweis von Proteinabbau oder Strukturveränderungen .

4. Lebensmittelindustrie

Die statische Lichtstreuung wird zur Untersuchung der Stabilität von Emulsionen , Suspensionen und Lebensmittelproteinen eingesetzt.

Vor- und Nachteile von SLS

Nutzen

Absolute Molekulargewichtsbestimmungen ohne Notwendigkeit von Standardproben.
Möglichkeit zur Bestimmung des Trägheitsradius (Rg) und der allgemeinen Struktur des Moleküls.
Es untersucht Polymere und Makromoleküle mit hoher Präzision.
Es kann mit anderen Methoden wie DLS und SEC kombiniert werden, um umfassendere Ergebnisse zu erzielen.

Ende

Die Probe muss so klar wie möglich sein; das Vorhandensein von Staubpartikeln oder Verunreinigungen verfälscht die Ergebnisse.
Es reagiert äußerst empfindlich auf Änderungen der Temperatur und der Konzentration.
Bei sehr kleinen Partikeln (weniger als 10 Nanometer) nimmt die Genauigkeit ab.

Wichtige Punkte für die Verwendung von SLS

Probenvorbereitung: Zur Entfernung störender Partikel ist eine Feinfiltration erforderlich .
Wählen Sie die geeignete Wellenlänge: Sie sollte zur Größe und den Eigenschaften der optischen Partikel passen.
Gerätekalibrierung: Eine regelmäßige Kalibrierung ist notwendig, um genaue Ergebnisse zu erzielen.
Temperaturkontrolle: insbesondere für biologische Proben, die empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren.
Kombinierte Analyse: Es empfiehlt sich, SLS-Ergebnisse in Verbindung mit DLS- oder HPLC-Daten zu betrachten.

Vergleich der SLS-Methode mit anderen Analysemethoden

SEC-MALS (Chromatographie + SLS): Kombination von Chromatographie mit Mehrwinkel-Lichtstreuung zur gleichzeitigen Trennung und Molekulargewichtsbestimmung.
Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie: liefert nur Informationen über die Lichtabsorption, nicht über das Molekulargewicht .
Massenspektrometrie: bietet eine höhere Genauigkeit, ist aber bei sehr großen Molekülen schwer anzuwenden.

Dieser Vergleich verdeutlicht die besondere Stellung der SLS bei der Untersuchung von Polymeren und Makroproteinen.

Die Zukunft und neue Wege für SLS

Mit den Fortschritten in der Nanotechnologie und den Lebenswissenschaften hat sich auch die SLS-Technologie weiterentwickelt und verbessert. Zu den neuen Trends gehören:

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit wurden Mehrwellenlaser eingesetzt.
Der Multi-Aspect Detector (MALS) ist so konzipiert , dass er dreidimensionale Informationen erfasst.
Integration von SLS mit fortschrittlicher Mikroskopie zur simultanen Struktur- und Dispersionsanalyse.

Polyacrylamid (PAM) zur temporären Bodenstabilisierung

Abschließend

Die statische Lichtstreuung (SLS) ist eine wichtige und effektive Methode zur Untersuchung der Struktur-, Gravitations- und Aggregationseigenschaften von Molekülen und Partikeln. Sie findet breite Anwendung in verschiedensten Bereichen, von Polymeren und Nanomaterialien bis hin zur Pharma- und Lebensmittelindustrie. Trotz des Bedarfs an sorgfältiger Probenpräparation und kontrollierten Bedingungen sind die gewonnenen Informationen von unschätzbarem Wert und einzigartig.

Angesichts der rasanten Entwicklung der Nanotechnologie und Biotechnologie wird erwartet, dass SLS in den kommenden Jahren eine immer wichtigere Rolle in der wissenschaftlichen Forschung und in industriellen Anwendungen spielen wird.