Espalhamento dinâmico de luz

O espalhamento dinâmico de luz (em inglês DLS, Dynamic Light Scattering) é uma técnica de caracterização físico-química que mede a distribuição do tamanho de pequenas partículas e moléculas em solução líquida, sendo preciso e rápido para medir a distribuição de tamanho de partículas com mesmo tamanho, mas não sendo tão preciso com diferenças de tamanho muito grandes.

Zeta Potential Analyzer, que mede a distribuição do tamanho e o potencial zeta.

Do DLS temos a luz se espalhando do material analisado com intensidades diferentes e assim obtemos a distribuição da intensidade pelo tamanho de partícula, e dela podemos obter a distribuição de volume e de quantidade pelo tamanho de partícula pela teoria de Mie.

O DLS é muito importante para a caracterização do tamanho hidrodinâmico de nanopartículas em fluidos biológicos como plasma e diferentes pHs fisiológicos.

O aparelho

Esquema do funcionamento do DLS

A luz do laser passa por um polarizador e atinge uma cubeta com o material desejado. A luz espalhada do material passa por um analisador que seleciona uma determinada polarização e entra no detector, cuja posição define o ângulo de espalhamento e o volume de espalhamento de uma região.

O DLS possui um correlator que mede o grau de semelhança entre dois sinais de intensidade em diferentes tempos, e calculando a função de correlação da luz espalhada temos o coeficiente de difusão e dele obtemos o tamanho médio de partícula.

Teoria

A estrutura de complexos moleculares é conhecida em razão da absorção da radiação eletromagnética, que fornece informações sobre o nível de energia translacional, rotacional, vibracional e eletrônico das moléculas. As mudanças de frequência, distribuição angular, polarização e intensidade da luz espalhada são determinadas pelo tamanho, forma e interações moleculares do material. E com o uso do laser pode-se medir variações de frequências bem pequenas do espalhamento de luz da amostra e também fracos espalhamentos de luz por causa da alta intensidade do laser, permitindo a medida de nanômetros.

Correlação com a intensidade

A intensidade espalhada é medida baseada na dispersão de Rayleigh, por um contador de fótons e está ligada à difusão da molécula no solvente, com as pequenas partículas se movendo mais rápido do que as grandes, tendo maior variação.

As partículas suspendidas no solvente líquido se movem com o tempo de acordo com o movimento browniano, com a luz espalhada de duas ou mais moléculas tendo interferências construtivas ou destrutivas variando com o tempo e gerando alterações na intensidade da luz dispersada se a molécula não for menor do que o comprimento de onda.

Ao ser atingido pela luz, os elétrons do material sofrem uma polarização oscilante em função do campo elétrico da luz e quando o dipolo muda, a energia é irradiada e com isso ele passa a ser uma fonte secundária de luz, espalhando luz em todas as direções.

O tamanho de partículas adquirido é o diâmetro hidrodinâmico, que varia dependendo da força iônica e da estrutura superficial. Uma baixa concentração iônica terá a camada de íons estendida ao redor da partícula, diminuindo a velocidade de difusão e aparentando um diâmetro hidrodinâmico maior, enquanto em altas concentrações a camada será comprimida e a mesma partícula apresentará menor diâmetro hidrodinâmico. Quanto à superfície, uma camada adsorvida pela partícula pode ter sua conformação alterada dependendo do meio aquoso e da própria superfície da partícula. Quando a partícula não é esférica, o valor obtido é de uma esfera com o mesmo coeficiente de difusão translacional.

Cálculos

Devido ao índice de refração, a variação da intensidade da luz pode ser calculada usando a função de correlação cruzada das intensidades normalizada de segunda ordem:

g₂(τ) = G₂(τ)÷$I^{2}$, que também pode ser descrito como I(t)I(t+τ) = $\lim _{N\to \infty }{\frac {1}{N}}\sum _{j}^{N}I(j)I(j+n)$

• I é a intensidade média;
• τ é a correlação do tempo;
• G₂(τ) é a função de correlação do tempo.

Da função de correlação de primeira ordem temos: g₁(τ) = e^-q2Dτ

• q é o vetor de espalhamento;
• D é o coeficiente de difusão translacional;
• Γ=-q²×D é a taxa de decaimento.

Vetor de espalhamento (q)

O vetor de espalhamento pode ser obtido por: q = 4πnsen(θ÷2)÷λ

• n o índice de refração da solução;
• λ o comprimento de onda da luz incidente no vácuo;
• θ o ângulo de espalhamento da luz.

O tamanho das partículas em solução é obtido pela equação Stokes-Einstein: D = kT÷(3πηR_h)

• k é a constante de Boltzmann;
• T é a temperatura;
• η é a viscosidade do solvente;
• R_h é o raio hidrodinâmico das partículas em solução.

Na maioria das análises há partículas com tamanhos variados e com isso diferentes taxas Γ distribuídas segundo uma função p(Γ) do sistema, que está relacionado com a relação de primeira ordem: g₁(τ)Γ = $\int$₀^∞e^-Γτp(Γ)dΓ

• p(Γ)dΓ é o numero de partículas com valores de gama entre Γ e Γ+dΓ.

A distribuição do tamanho de partículas em dispersão nesse caso pode ser estimada pelo:

1. Método da expansão em cumulantes
2. Método CONTIN
3. Ajuste por multiexponenciais

Limitações

O DLS é sensível à poeira, que pode desviar a luz e ser medido. Além disso também é sensível a algumas moléculas biológicas como proteínas e anticorpos, que quando em contato podem formar ligações que arrastam moléculas, influenciando no movimento de difusão browniano. E como essa técnica não analisa a forma da partícula os tamanhos computados serão diferentes dos reais. Também não funcionará bem se o material absorver o mesmo comprimento de onda do laser.

Ligações externas

• Quím. Nova vol.26 no.5 São Paulo Sept./Oct. 2003; doi: 10.1590/S0100-40422003000500017