Descrição
Espalhamento de luz dinâmico, em inglês Dynamic Light Scattering – DLS. O BioPol possui dois equipamentos: 1) NANO DLS Particle Size Analyzer da BrookHaven Instruments (Holtsville, New York, EUA) operando a 90° e comprimento de onda de 632,8 nm, fornecida por um laser He-Ne de estado sólido de 35 mW. A aquisição dos dados pode ser realizada por meio dos softwares BIC NanoDLS Particle Sizing e BIC Nano Dynamic Light Scattering. 2) Equipamento ZETASIZER NANO ZS da Malvern Instruments and PANalytical (Egham, Surrey, United Kingdom), operando a 13° e 173° e comprimento de onda de 632,8 nm, fornecido por um lase de He-Ne de estado sólido de 4 mV. A aquisição dos dados pode ser realizada por meio do software Zeta Sizer Nano v. 3.30.
Técnica
O espalhamento de luz consiste de um feixe de luz laser, de comprimento de onda conhecido, que incide sobre uma amostra em solução. Quando o feixe de luz laser incide sobre a amostra ocorre uma flutuação da intensidade da luz espalhada, cuja variação depende do tamanho, formato e propriedades ópticas das partículas, assim como o ângulo de observação, que no caso do equipamento apresentado abaixo, é fixo a 90° em relação ao laser incidente. A partir da variação da intensidade de luz em função do tempo, é possível determinar o coeficiente de difusão médio das partículas presentes em solução que, por sua vez, a partir da relação de Stokes-Einstein, é possível se determinar o raio hidrodinâmico aparente.
A relação de Stokes-Einstein é representada pela equação abaixo, onde \(Kb\) é a constante de Boltzmann, \(T\) é a temperatura em Kelvin, \(\eta\) é a viscosidade do solvente e \(R_h\) é o raio hidrodinâmico da partícula (o qual leva em conta não apenas o raio das partículas, mas considerando o aumento causado pela camada de hidratação e contra-íons).
\[D = \frac{K_b \ T}{6 \ \pi \ \eta \ R_h}\]
Essa estimativa do \(R_h\) é possibilitada pelo movimento browniano das partículas, no qual as partículas pequenas têm maior difusão num dado solvente e a uma dada temperatura em relação às partículas maiores. As diferenças de difusão podem ser mensuradas pelo coeficiente de difusão (\(D\)).
Para se determinar o coeficiente de difusão, podem ser utilizadas funções de correção. \(G_2\) é uma função de correlação dada pela média do produto das intensidades de luz no tempo zero e no tempo \(t\), para intervalos de tempo na ordem de 10-6 s, e pode ser relacionada à função do campo elétrico espalhado (\(G_1\)), através da relação de Siegert, conforme equação abaixo.
\[G_2(t) = \langle i_{(0)}i_{(t)}\rangle = A + [BG_1(t)]^2\]
A é o valor da linha de base no gráfico de correlação e B é o fator pré-exponencial da equação, característicos da amostra e do equipamento. O coeficiente de difusão pode ser obtido através de uma constante de correção (\(G_1\)), ou valor de relaxação, conforme conforme a equação:
\[G_1(\tau) = A + Be^{(-2Dq^2\tau)}\]
O valor de \(G_1\) decai exponencialmente em função do tempo.
Aplicação
Usualmente, o DLS é utilizado para caracterizar micelas, polímeros, nanopartículas ou colóides que estão dispersos em um líquido, com relação aos seus tamanhos (raios hidrodinâmico), massa molar, morfologia e estruturas internas e externas. Entretanto, o equipamento fornece os raios hidrodinâmico e uma massa molar aparente. Também, a partir das informações mencionadas, é possível de se obter a polidispersão das partículas. É possível também fazer experimentos que forneçam a cinética de agregação ou de floculação de uma solução.
Observações
As análises podem ser realizadas em modo flow ou modo batch. Além disso, a intensidade de incidência da luz laser pode ser controlada, sendo possível selecionar a intensidade baixa, média ou alta. O tempo de cada análise pode ser ajustado, assim como a temperatura (5 a 75 ºC). Também é possível indicar se as amostras são esferas uniformes ou não. As amostras podem ser previamente filtradas em membranas com diâmetro de poro de no mínimo 3 vezes maiores que os tamanhos das partículas. A célula possui um pequeno volume e, com isso, permite a injeção de baixos volumes, em torno de 3 mL de amostra. Em relação a obtenção dos dados, podem ser observados de três formas: Log normal, MSD e Correlation Function que podem ser avaliados com base na intensidade da luz espalhada, volume, área de superfície e número de partículas na população amostral.
Fotos
Figura 1: Equipamento NANO DLS Particle Size Analyzer da BrookHaven Instruments.FONTE: BIOPOL (2020).
Figura 2: Zetasizer Nano Series ZS modelo ZEN3600 do fabricante Malvern (à esquerda) e titulador MPT-2 (à direita). FONTE: BIOPOL (2020).
Figura 3: Flutuação de intensidade da luz espalhada para partículas (A) grandes e (B) pequenas.FONTE: Adaptado de Kim et al. (2014).
Figura 4: Esquema de funcionamento de um equipamento de espalhamento de luz dinâmico.FONTE: Adaptado de Bhattacharjee (2016).
Autores
- Bernardo Mauad Régnier
- Joslaine Jacumazo
- João Pedro Elias
Revisado e modificado por: Rilton Alves de Freitas
Termo de responsabilidade para o uso dos equipamentos do laboratório
Referências
Chu, Benjamin. Laser Light Scattering. Basic principles and practice. Second Edition. New York, Dover Publications, 2007.
Bhattacharjee, Sourav. DLS and zeta potential – What they are and what they are not? Journal of Controlled Release, 2016.
Kim, Hyun-A, Seo, Jung-Kwan, Kim, Taksoo, Lee, Byung-Tae. Nanometrology and Its Perspectives in Environmental Research. Environmental health and toxicology, 2014.
Hiemenz, P. C. Principles of colloid and surface chemistry. Marcel Dekker, 1986.
“Movimento Browniano”. Disponível em <https://www.youtube.com/watch?v=78n7nLLnT_0> , acesso em setembro de 2020.
Nomura D. A. , Enoki, T. A., Goldman, C., Lamy, M. T. Espalhamento Dinâmico de Luz. Instituto de Física, Universidade de São Paulo. Disponível em <https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/374074/mod_resource/content/1/DLS.pdf>, acesso em setembro de 2020.
Cussler, E. L. Diffusion, mass transfer in fluid systems. Third Edition. Cambridge, Cambridge University Press, 1994.