Dynamic Light Scattering from Oriented, Rotating Particles: A Theoretical Study and Comparison to Electrorotation Data

(Received 7 July 1995, revised 5 December 1995, accepted 21 December 1995)

Abstract
In recent years, electrorotation has developed in the field of biology as a technique for characterization of single cell dielectric properties. Applications to colloidal particles are scarce, although the method provides information on the electrical structure of the particle's interior. The method explores the frequency-dependent polarizability difference of the particles and the suspension medium by using rotating field in the frequency range of 1 kHz to 200 MHz to induce individual particle rotation. To allow interpretation of the electrorotation spectra measured with light scattering techniques, the theoretical autocorrelation function of light scattered from rotating particles of cylindrical symmetry has been calculated. All particles were assumed to possess a single scattering site and the rotation axes were assumed to be parallel. An appropriate expression for the rotational diffusion around the longitudinal angle was also derived. Diffusion around the azimuthal angle could be neglected. The theoretical result consists of a well structured autocorrelation function. The theoretical limits of particle size and rotation speed that allow detection of electrorotation were explored. Experimental autocorrelation functions from electrorotation of human red blood cells could be explained theoretically when reasonable parameters for the cell's properties were assumed.

Résumé
Ces précédentes années, l'électrorotation a évolué comme une technique de caractérisation des attributs diélectriques d'une cellule unique. Il n'y a que peu d'applications pour les particules colloidales, bien que la méthode fournisse de l'information sur la structure électrique de l'intérieur de la particule. Cette méthode explore la différence entre la polarisabilité des particules et du moyen de suspension en utilisant des champs électriques tournants avec une fréquence de 1 kHz à 200 MHz pour induire une rotation individuelle de la particule. Afin de permettre l'interprétation des spectres de l'électrorotation mesuré à l'aide des techniques de lumière diffusée, la fonction d'autocorrelation théorique de la lumière diffusée par des particules tournant d'une symétrie cylindrique a été calculée. Nous supposons que toutes les particules ne possèdent qu'une côte diffusante et que les axes de rotation sont parallèles. Il en dérive une expression appropriée pour la diffusion rotationnelle autour de l'angle longitudinal. La diffusion des particules autour de l'angle azimutal est negligée. Le résultat théorique consiste en une fonction d'autocorrelation bien structurée. Les limites théoriques de la grandeur de particule ainsi que la vitesse de rotation, qui permettent la détection de l'électrorotation, ont été explorées. On peut expliquer les fonctions d'autocorrelation expérimentales de l'électrorotation des cellules rouges du sang humain quand on présuppose des paramètres raisonnables pour les attributs cellulaires.