Dynamische Lichtstreuung

Die Dynamische Lichtstreuung, auch als Quasielastische Lichtstreuung oder Photonen-Korrelationsspektroskopie bezeichnet, ist heute eine der populärsten Methoden zur Partikelgrößenbestimmung überhaupt.

Die Stärken der Methode sind im wesentlichen folgende:

  • kurze Meßdauer
  • hoher Automatisierungsgrad
  • keine hohe Qualifikation erforderlich für Routinemessungen
  • geringer experimenteller Aufwand
  • geringe Anschaffungskosten

Diese Angaben beziehen sich auf gängige "particle sizing"-Systeme, die häufig bei festem Winkel (90°) und rotem Licht (675 nm oder ähnlich) messen. Auch auf eine Feststellung der Konzentrationsabhängigkeit wird häufig verzichtet.

Durch eine ausgefeiltere experimentelle Ausstattung (Goniometer, kürzerwellige Lichtquelle) können die Möglichkeiten der Methode erheblich erweitert werden. Allerdings existieren zwei prinzipielle Limitierungen für alle Streumethoden:

  • Der Durchmesser der zu untersuchenden Teilchen darf im Verhältnis zur verwendeten Wellenlänge nicht zu klein sein.
  • Es können i. d. R. keine Gemische untersucht werden.

Da die Lichtstreuung keine fraktionierende Methode ist, muß die Überlagerung von Streufunktionen unterschiedlicher Populationen theoretisch beschrieben werden. Hierzu gibt es mehr oder weniger komplizierte Ansätze, jedoch kann ein grundlegender physikalischer Effekt nicht durch fortgeschrittene Auswertungen behoben werden: Die Streuintensität nimmt mit der sechsten Potenz des Durchmessers zu, so daß große Partikel in der Streuung immer dominieren.

Die klassische Auswertungsmethode anhand der Autokorrelationsfunktion (AKF) liefert für eine reine Spezies mit einiger Sicherheit einen Mittelwert und eine Verteilungsbreite. Moderne Meßgeräte erlauben häufig, während der Messung die Kumulation und Stabilisierung der AKF zu beobachten, wie sie in nebenstehender Abbildung dargestellt ist.

Autokorrelation bei der Dynamischen Lichtstreuung
Abbildung 1: Autokorrelation bei der Dynamischen Lichtstreuung

Fortgeschrittene Auswertungsmethoden verwenden beispielsweise die inverse Laplace-Transformation anstelle der Autokorrelation. Mit steigendem Niveau der Auswertung wächst jedoch auch der Interpretationsbedarf bzw. die Notwendigkeit, sich über gemachte Annahmen im klaren zu bleiben. Die physikalischen Grenzen der Methode können auch mit einer fortgeschrittenen Auswertung nicht erweitert werden.

Jedoch birgt auch die Verwendung halbautomatisierter Geräte und Auswertungen die Gefahr, daß Meßartefakte bei ungeeigneten Systemen oder mißlungenen Messungen immer zu einer irgendwie überzeugenden Verteilung geglättet werden.

In unserem Labor verwenden wir einen Argon-Ionen-Laser (488 nm) als Lichtquelle. Eine Leistung von 2W ergibt auch bei sehr kleinen Partikeln und kleinen Winkeln hinreichende Intensitäten für eine Charakterisierung. Zur Auswertung verwenden wir sowohl die gängige Kumulantenanpassung als auch die inverse Laplace-Transformation unter Anwendung von optimierten Regularisierungsmethoden.