La dispersión dinámica de la luz: precisión, velocidad y aplicaciones en biofísica para estudiar estructuras y movimientos de partículas en soluciones biológicas.
Dispersión Dinámica de la Luz: Precisión, Velocidad y Uso Biofísico
La dispersión dinámica de la luz (DLS, por sus siglas en inglés), también conocida como espectroscopía de correlación de fotones, es una técnica poderosa utilizada para medir el tamaño de partículas pequeñas en suspensión o moléculas en solución. A través de este método, es posible obtener información precisa sobre la distribución de tamaños y las propiedades dinámicas de las partículas, lo que es crucial en campos como la biofísica, la nanociencia y la química.
Fundamentos de la Dispersión Dinámica de la Luz
La DLS se basa en la interacción de la luz con partículas en movimiento en un medio fluido. Cuando un haz de luz láser incide sobre una suspensión de partículas, la luz es dispersada en todas las direcciones. Esta dispersión es causada por las fluctuaciones en la posición de las partículas debido a su movimiento browniano.
- Movimiento Browniano: Este término se refiere al movimiento aleatorio de partículas suspendidas en un fluido, resultado de las colisiones con las moléculas del fluido.
- Características del haz de luz: En DLS se utiliza un láser coherente y monocromático que asegura una referencia constante.
Al analizar la luz dispersada, se puede inferir información sobre el tamaño de las partículas basado en la velocidad de sus movimientos. Una partícula pequeña se moverá más rápidamente que una partícula grande debido a las diferencias en resistencia viscosa y la eficiencia con la cual difunden a través del medio.
Teorías y Ecuaciones Utilizadas
La base teórica de la DLS se sustenta en la teoría de la difusión de Rayleigh y en la ecuación de Stokes-Einstein.
- Teoría de la Difusión de Rayleigh: Esta teoría describe cómo la luz es dispersada por partículas que son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la luz. El patrón de interferencia que resulta alimenta la información a partir del cual se evalúa el tamaño de las partículas.
- Ecuación de Stokes-Einstein: La ecuación
\[ D = \frac{k_B T}{6 \pi \eta r} \]
donde:
- \( D \) es el coeficiente de difusión.
- \( k_B \) es la constante de Boltzmann.
- \( T \) es la temperatura absoluta.
- \( \eta \) es la viscosidad del medio.
- \( r \) es el radio de la partícula.
Esta ecuación relaciona el coeficiente de difusión de las partículas con su tamaño y las propiedades del medio en el que están suspendidas. A partir de las fluctuaciones de intensidad en el patrón de dispersión, se puede inferir el coeficiente de difusión y, por ende, el tamaño de las partículas.
El Proceso de Medición con DLS
En una medición típica de DLS, se siguen los siguientes pasos:
- Una muestra de la suspensión de partículas se coloca en una celda de muestra e iluminada por un láser.
- La luz dispersada se recoge en un ángulo determinado, generalmente 90 grados, mediante un detector.
- El detector genera una señal eléctrica que fluctúa en el tiempo conforme cambia la intensidad de la luz dispersada.
- Estas fluctuaciones se analizan utilizando una técnica de correlación temporal para obtener el coeficiente de difusión de las partículas.
- Finalmente, el coeficiente de difusión se usa en la ecuación de Stokes-Einstein para calcular el tamaño de las partículas.
Un aspecto clave de DLS es la función de correlación de intensidad, que mide la similitud de la señal dispersada en diferentes momentos. La función de autocorrelación \( g^{(2)}(\tau) \) se define como:
\[ g^{(2)}(\tau) = \frac{\langle I(t)I(t+\tau) \rangle}{\langle I(t) \rangle^2} \]
donde:
- \( \langle I(t) \rangle \) es la intensidad promedio de la señal.
- \( \tau \) es el tiempo de retardo.
A medida que las partículas se mueven debido al movimiento browniano, la función de autocorrelación decae exponencialmente. El análisis de esta decaída proporciona el coeficiente de difusión.
Un análisis más detallado de la función de autocorrelación puede incluir múltiples exponenciales en el caso de muestras heterogéneas, lo cual permite la descomposición en diferentes poblaciones de partículas si estas tienen tamaños distintos.