Die Lichtstreuung an kugel- und stäbchenförmigen Teilchen von Wellenlängengröße
Authors: Burberg Rudolf 
Published: March 2015

In vorliegender Arbeit sollen Auswerteverfahren für Streulichtmessungen entwickelt werden, die den besonderen Gegebenheiten der Lichtstreuung an Suspensionen von großen Viren und ähnlichem biologischem Material angepaßt sind. Dabei ergeben sich Gesichtspunkte und Ansätze, die über den begrenzten Aufgabenkreis hinaus für Lichtstreuungsmessungen im allgemeinen von Bedeutung sein dürften.

Die besonderen Gegebenheiten sind folgende :

1. Die streuenden Teilchen haben eine Größe von etwa Lichtwellenlänge.

2. Die Teilchen sind nicht absorbierend.

3. In der Suspension können alle Teilchen hinsichtlich Größe, Form und innerer Struktur als gleich angesehen werden (identische Teilchen).

4. Die Teilchen sind vorwiegend Kugeln oder Stäbchen.

5. Die Teilchen bestehen aus Eiweiß oder Nucleinsäure und müssen meist in wäßriger Lösung untersucht werden. Für kompakte Teilchen ist der Brechungsindex gegen Wasser für Eiweiß 1,20, für Nucleinsäure 1,33.

6. Die Teilchen sind quellbar, weshalb ihre Dichte und ihr Brechungsindex nicht zu den bekannten Größen gehören.

7. Die Größe der Teilchen und der verhältnismäßig große Brechungsindex ergeben ein so starkes Streuvermögen für die Teilchen, daß man bei der Messung mit geringen Konzentrationen auskommt. Die anwendbare Konzentration wird im übrigen dadurch nach oben hin begrenzt, daß bei zu stark streuenden Lösungen die Sekundärstreuung (die Streuung des einmal gestreuten Lichts an weiteren Teilchen) die Intensitätswerte der Primärstreuung, für die ausschließlich die Formeln gelten, merklich verändert.

8. Erfahrungsgemäß ist die Streustrahlung JN aller N Teilchen in der Lösung gleich der algebraischen Summe der Streustrahlung J eines Einzelteilchens (JN=N · J). Das bedeutet, die Teilchen besitzen bei den benützten Konzentrationen in der Lösung einen so großen Abstand voneinander, daß die Wechselwirkungskräfte zwischen den Teilchen keine merkliche Abweichung von der rein statistischen Verteilung der Teilchen bewirken und so intermolekulare Interferenzen nicht feststellbar sind.

Diese Erfahrung steht im Gegensatz zu der, die bei Messungen an sehr viel kleineren Teilchen gewonnen wurde. Der Grund hierfür ist ein zweifacher: Würde man bei den Streulichtmessungen an den sehr kleinen Teilchen dieselbe Gewichtskonzentration wie bei den größeren Teilchen anwenden, wäre der mittlere Abstand der Teilchen voneinander wegen der feineren Unterteilung der Materie geringer. Hinzu kommt aber noch, daß bei einem bestimmten Gesamtgewicht an Teilchenmaterial die Streu-Intensität JN proportional dem Volumen eines Teilchens ist [siehe Gl. (8) ], so daß man bei den kleineren Teilchen eine höhere Teilchenkonzentration wählen muß, um den gleichen Streulichteffekt zu erzielen, wie bei den größeren Teilchen. Hierdurch wird der mittlere Abstand zwischen den Teilchen nochmals verringert, so daß es zu größeren Wechselwirkungen zwischen den Teilchen kommt, die zu intermolekularen Interferenzen führen. Damit wird für die sehr kleinen Teilchen das Streulicht von N Teilchen kleiner als das N-fache des Streulichts von einem Teilchen (JN &lt; N · J). Die unter 3, 4 und 8 genannten Bedingungen machen die Teilchen für Lichtstreuungsmessungen besonders geeignet.

Wenn bisher Lichtstreuungsmessungen an größeren Teilchen durchgeführt wurden, benutzte man zur Identifizierung der Teilchengröße und -gestalt die DEBYE-Formel [s. Gln. (3) und (4) ], ohne sich aber bei größeren Brechungsindizes über Art und Größe des dabei begangenen Fehlers Rechenschaft abzulegen. Dieses veranlaßte Verf. für die zwei wichtigsten Körperformen, Kugeln und Stäbchen, Korrekturglieder zur DEBYE-Formel zu berechnen, die eine genauere Identifizierung der Teilchen erlauben. — Damit ist zugleich für andere Körperformen eine Abschätzung für den zu erwartenden Fehler bei Anwendung der DEBYE-Formel ermöglicht.

Für das einfallende Licht soll die Vereinbarung getroffen werden, daß die Primärwelle linear polarisiert ist, und zwar so, daß die Schwingungsrichtung des elektrischen Vektors senkrecht auf der Visionsebene steht, — die durch Einfallsrichtung des Primärstrahls und Beobachtungsrichtung gebildete Ebene. Dadurch werden die Formeln und damit die Auswertung von Meßwerten besonders einfach.