Statische Lichtstreuung

Die Statische Lichtstreuung ist eine klassische Methode zur Bestimmung von Molmassen. Darüber hinaus sind Informationen über Form und Wechselwirkungen der fraglichen Partikel zugänglich, bis hin zu Informationen zu Überstrukturen. Dabei werden die theoretischen Grundlagen zur Auswertung zunehmend komplex; entsprechend hoch ist der Anspruch an die Qualität der Meßdaten.

Im Vergleich zu anderen Methoden der Molmassenbestimmung ist die Statische Lichtstreuung eine apparativ und experimentell aufwendige Methode. Allerdings bietet sie einen unabhängigen Zugang zur Molmasse, der bei komplexen Systemen wichtig sein kann. So wird sie gerne zur Bestimmung der Aggregationszahlen von Mizellen oder Polymerknäueln eingesetzt. Die SLS ist eine Absolutmethode und eignet sich hervorragend zur Kombination mit der Analytischen Ultrazentrifugation hinsichtlich eines umfassenden Variablensatzes und einer vollständigen Charakterisierung auch komplexer Systeme.

Wie alle Streumethoden ist auch die Statische Lichtstreuung auf die Untersuchung monomodaler Systeme limitiert. Unter Umständen gelingt die Berechnung von Verteilungen, allerdings

  • müssen erhebliche Annahmen gemacht werden, und
  • auch ein sehr fortgeschrittenes Auswertungsverfahren kann nicht die physikalische Limitierung ausräumen, die sich aus der Natur der Lichtstreuung ergibt.

Denn die Streuintensität nimmt mit der sechsten Potenz des Durchmessers zu, daß heißt, ein einziges Partikel mit dem zehnfachen Durchmesser strahlt mit der 1000000fachen Intensität des kleineren Partikels. Diese Verhältnisse stellen hohe Anforderungen an Experiment und Detektion; die Gefahr der Überinterpretation von Artefakten ist sehr hoch.

Für monomodale Systeme hingegen stellt die Statische Lichtstreuung eine sehr genaue Meßmethode zur Bestimmung von Molmassen dar. Im Gegensatz zur Dynamischen Lichtstreuung ist eine winkelabhängige Messung unbedingt erforderlich. Außerdem beeinträchtigt Staub die Qualität der Meßergebnisse wesentlich stärker als in der Dynamischen Lichtstreuung.

Streuexperiment zur Statischen Lichtstreuung
Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines Streuexperiments zur Statischen Lichtstreuung

Abb. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Streuexperiments. Dargestellt ist auch die Konstruktion des Streuvektors q oder s, den man in der Regel zur Auswertung anstelle des Winkels verwendet.

Wie die Dynamische Lichtstreuung ist auch die Statische hinsichtlich der detektierbaren Teilchengröße limitiert. Kleine Partikel streuen aufgrund der oben erwähnten r6-Abhängigkeit sehr schwach, man kann durch hohe Eingangsintensitäten und kurze Wellenlängen beim Primärstrahl bis in Teilchendimensionen von wenigen Nanometern vordringen, entsprechend Molmassen von wenigen Tausenden.

Man mißt die Streuintensität unter verschiedenen Winkeln; aus der Winkelabhängigkeit läßt sich der Gyrationsradius Rg berechnen, der gemeinsam mit dem hydrodynamischen Durchmesser Rh (aus der Dynamischen Lichtstreuung) Aufschluß über die Partikelform gibt. Aus der Extrapolation auf den Streuvektor Null wird eine apparente Molmasse erhalten. Abb. 2 zeigt eine typische Auftragung über das Quadrat des Streuvektors; der Achsenabschnitt entspricht dem Kehrwert der apparenten Molmasse.

Zimmplot
Abbildung 2: Zimmplot in der Statischen Lichtstreuung

Aus einer Konzentrationsreihe erhält man bei Auftragung der apparenten Molmassen über die Konzentration die Molmasse und den Zweiten Osmotischen Virialkoeffizienten. Damit sind also M, Rg und A2 die aus der SLS zugänglichen Größen.

Weitere Informationen ergeben sich aus modellbasierten Anpassungen der Streukurven. Dabei können Form- und Strukturfaktoren eingeführt und aus den Anpassungen berechnet werden.

Zur einfachen Auswertung eines Streuexperiments ist nur das Brechungsindexinkrement dn/dc erforderlich, das für viele Systeme tabelliert ist und auch auf einfache Weise gemessen werden kann. Wichtig ist extreme Straubfreiheit, hohe Eingangsintensität des Lasers, eine möglichst kurze Wellenlänge, exakte Temperaturkontrolle und eine gute Statistik bei der Aufnahme der Daten.

Die bei Nanolytics installierte Ausstattung garantiert die Anwendbarkeit der Statischen Lichtstreuung bis an die physikalische Grenzen der Methode.