Dynamische Lichtstreuung (DLS) verständlich erklärt

Die dynamische Lichtstreuung (DLS) misst die Größe von Partikeln in einer Flüssigkeit, indem sie verfolgt, wie schnell das gestreute Laserlicht schwankt. Diese Schwankungen entstehen, weil sich die Partikel durch die Brownsche Molekularbewegung ständig bewegen: kleine schnell, große langsam. Aus der Bewegungsgeschwindigkeit berechnet das Gerät den hydrodynamischen Durchmesser, typischerweise vom Bereich weniger Nanometer bis in den Mikrometerbereich.

Die DLS ist die Standardmethode für Liposomen, Lipid-Nanopartikel, Gold-Kolloide und Proteinlösungen. Sie ist schnell und einfach zu bedienen, ihre Ergebnisse werden aber oft falsch gelesen. Dieser Artikel erklärt Messprinzip, Kennzahlen und typische Fehlerquellen.

Das Messprinzip

Vom Streulicht zur Korrelationsfunktion

Ein Laserstrahl durchleuchtet die Probe in einer Küvette. Die Partikel streuen das Licht in alle Richtungen, ein Detektor erfasst es unter einem festen Winkel. Viele Geräte messen in Rückstreuung, bei einem Winkel von etwa 173 Grad, was Mehrfachstreuung in konzentrierten Proben verringert.

Weil sich die Partikel bewegen, überlagern sich die Streuwellen ständig neu. Die gemessene Intensität flackert im Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden. Ein Korrelator vergleicht das Signal mit sich selbst zu späteren Zeitpunkten. Bei kleinen, schnellen Partikeln geht die Ähnlichkeit rasch verloren, bei großen, langsamen hält sie länger an. Das Ergebnis ist die Autokorrelationsfunktion, deren Abklingen die Grundlage aller weiteren Berechnungen ist.

Von der Diffusion zur Größe

Aus dem Abklingen der Korrelationsfunktion ergibt sich der Diffusionskoeffizient D. Die Stokes-Einstein-Gleichung verknüpft ihn mit dem hydrodynamischen Durchmesser:

d = k·T / (3·π·η·D)

Dabei ist k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und η die Viskosität des Lösungsmittels. Daraus folgen zwei praktische Regeln: Temperatur und Viskosität müssen stimmen, und die Probe muss im Gerät die eingestellte Temperatur erreicht haben, bevor gemessen wird.

Die wichtigsten Kennzahlen

Z-Average

Der Z-Average ist der zentrale Wert jeder DLS-Messung. Er stammt aus der Kumulantenanalyse, die die Korrelationsfunktion mit einer einfachen mathematischen Reihe beschreibt. Er ist ein intensitätsgewichteter harmonischer Mittelwert. Für einheitliche, monomodale Proben ist er robust und gut reproduzierbar und eignet sich deshalb für Qualitätskontrolle und Vergleiche. Die Norm ISO 22412 beschreibt dieses Vorgehen.

Polydispersitätsindex (PDI)

Der PDI stammt aus derselben Analyse und beschreibt die Breite der Größenverteilung. Er ist dimensionslos. Für die Praxis gelten grobe Orientierungswerte:

PDI	Einordnung in der Praxis
unter etwa 0,1	sehr enge Verteilung, typisch für gut kontrollierte Kolloide
etwa 0,1 bis 0,3	mäßig breit, für viele Lipid- und Polymerpartikel üblich
etwa 0,3 bis 0,7	breite Verteilung, Z-Average nur eingeschränkt aussagekräftig
über etwa 0,7	sehr breit oder Aggregate, Probe für DLS kaum geeignet

Diese Werte sind Erfahrungsgrößen, keine Normgrenzen. Welche Werte akzeptabel sind, hängt von Material und Anwendung ab.

Intensitäts-, Volumen- und Anzahlverteilung

Neben dem Z-Average berechnet die Software eine Größenverteilung. Grundlage ist immer die Intensitätsverteilung, denn das Gerät misst Licht. Hier liegt die wichtigste Falle: Für Partikel, die deutlich kleiner als die Lichtwellenlänge sind, steigt die Streuintensität etwa mit der sechsten Potenz des Durchmessers. Ein Partikel mit 100 Nanometern streut damit rund eine Million Mal stärker als einer mit 10 Nanometern.

Ein Beispiel: Eine Probe enthält gleich viele Partikel mit 10 und mit 100 Nanometern. In der Intensitätsverteilung dominiert der 100-Nanometer-Peak fast vollständig. In der Anzahlverteilung wären beide gleich hoch. Umgekehrt können wenige Aggregate in einer sonst einheitlichen Probe einen deutlichen Intensitätspeak erzeugen, obwohl sie zahlenmäßig kaum ins Gewicht fallen.

Die Software kann die Intensitätsverteilung über die Mie-Theorie in Volumen- und Anzahlverteilungen umrechnen. Dafür braucht sie den Brechungsindex und die Absorption des Materials und setzt kugelförmige, homogene Partikel voraus. Messfehler werden bei der Umrechnung stark vergrößert. Anzahlverteilungen aus der DLS dienen deshalb nur der Orientierung.

Typische Fehlerquellen

Problem	Folge	Gegenmaßnahme
Staub oder Aggregate	große Peaks, zu hoher Z-Average	Lösungsmittel filtrieren, Probe zentrifugieren oder filtrieren, wenn das Material es zulässt
zu hohe Konzentration	Mehrfachstreuung, Partikelwechselwirkungen	Verdünnungsreihe messen, Rückstreuung nutzen
zu niedrige Konzentration	verrauschtes Signal	Konzentration erhöhen, Messzeit verlängern
falsche Viskosität oder Temperatur	systematisch falsche Größe	Lösungsmittelparameter prüfen, Äquilibrierung abwarten
Sedimentation großer Partikel	instabile Messung	DLS ist für schwere Partikel im Mikrometerbereich ungeeignet
Luftblasen, Fingerabdrücke, Kratzer	Störsignale	saubere Küvetten, vorsichtiges Befüllen
Fluoreszenz oder Absorption	verfälschtes Signal	Filter nutzen, passende Laserwellenlänge wählen
Salz und pH	Aggregation während der Messung	Medium bewusst wählen und angeben

Gerade bei biologischen Proben verändert das Medium die Partikel. Proteine aus Serum bilden eine Hülle, die sogenannte Protein-Corona, und vergrößern den hydrodynamischen Durchmesser. Wechselnde Salzgehalte verändern die Abstoßung zwischen den Partikeln, die sich über das Zetapotential beschreiben lässt. Oft wird beides am selben Gerät gemessen.

Praxisbeispiel: Ergebnis richtig lesen

Angenommen, eine Probe aus Lipid-Nanopartikeln ergibt einen Z-Average von 95 Nanometern bei einem PDI von 0,12. Die Intensitätsverteilung zeigt einen einzelnen Peak. Das spricht für eine einheitliche Probe, der Z-Average ist hier ein guter Kennwert für Vergleiche zwischen Chargen.

Zeigt dieselbe Probe nach einigen Wochen Lagerung einen Z-Average von 130 Nanometern, einen PDI von 0,35 und einen zweiten kleinen Peak im Mikrometerbereich, hat sich etwas verändert. Wahrscheinlich sind Aggregate entstanden. Der Hauptpeak kann dabei fast unverändert bleiben, denn wenige große Aggregate beeinflussen den Z-Average stark, obwohl die meisten Partikel noch einzeln vorliegen. Für eine Bewertung sollten Sie hier Intensitätsverteilung, Messwiederholungen und eine zweite Methode heranziehen, statt allein den Mittelwert zu vergleichen.

Was ins Messprotokoll gehört

Damit DLS-Ergebnisse vergleichbar sind, sollten immer angegeben werden:

• Gerät, Laserwellenlänge und Messwinkel,
• Medium, pH, Salzgehalt, Temperatur und verwendete Viskosität,
• Konzentration und Probenvorbereitung, etwa Filtration oder Ultraschall,
• Anzahl der Messungen und Wiederholungen,
• Z-Average und PDI mit Standardabweichung,
• Art der Verteilung (Intensität, Volumen oder Anzahl) und das verwendete Auswertemodell.

Wer nur eine einzelne Zahl ohne diese Angaben nennt, macht das Ergebnis schwer überprüfbar.

DLS im Vergleich mit anderen Methoden

Die DLS ist schnell, misst in Lösung und braucht wenig Probe. Sie zeigt aber keine Form und trennt Populationen mit ähnlicher Größe schlecht. Deshalb wird sie mit anderen Verfahren kombiniert:

• Transmissionselektronenmikroskopie liefert Bilder einzelner Partikel und eine anzahlbasierte Verteilung des Kerns. Mehr dazu im Artikel über die Transmissionselektronenmikroskopie.
• Partikel-Tracking-Analyse verfolgt einzelne Partikel unter dem Mikroskop und liefert Anzahl und Konzentration.
• Statische oder Mehrwinkel-Lichtstreuung, oft gekoppelt mit Feldflussfraktionierung, trennt Populationen vor der Messung.
• Kleinwinkel-Röntgenstreuung gibt Auskunft über innere Struktur und Größe auch sehr kleiner Partikel.

Unterscheiden sich DLS und TEM deutlich, ist das kein Messfehler, sondern ein Hinweis auf Hülle, Aggregation oder Gewichtung. Die Übersicht aller Methoden steht auf der Seite Charakterisierung von Nanomaterialien.

Fazit

Die DLS ist das Arbeitspferd der Größenmessung in Lösung. Ihre Ergebnisse sind zuverlässig, wenn die Probe sauber und einheitlich ist und der Z-Average zusammen mit dem PDI und den Messbedingungen angegeben wird. Bei breiten Verteilungen, Aggregaten oder Mischungen braucht es eine zweite Methode, weil die starke Intensitätsgewichtung große Partikel überbetont.