Dynamiczne Rozpraszanie Światła (DLS) jest uznaną i precyzyjną techniką pomiarową do charakteryzowania wielkości cząstek w zawiesinach i emulsjach. Microtrac jest pionierem technologii analizy cząstek i od ponad 30 lat rozwija systemy optyczne oparte na dynamicznym rozpraszaniu światła.
Dynamiczne Rozpraszanie Światła (DLS) jest uznaną i precyzyjną techniką pomiarową służącą do charakteryzowania wielkości cząstek w zawiesinach i emulsjach. Opiera się ona na ruchów Browna cząstek - oznacza to, że mniejsze cząstki poruszają się w cieczy szybciej, podczas gdy większe wolniej. Światło rozproszone przez cząstki zawiera informacje o szybkości dyfuzji, a tym samym o rozkładzie wielkości cząstek.
Dynamiczne rozpraszanie światła umożliwia analizę cząstek w zakresie wielkości od 0,3 nm do 10000 nm, podczas gdy dyfrakcja laserowa (LD) często osiąga swoje granice dla cząstek mniejszych niż 100 nm, a to ze względu na słaby sygnał i niską rozdzielczość kątową. To właśnie w przypadku cząstek mniejszych i znacznie mniejszych niż 100 nm ujawnia się prawdziwa siła metody dynamicznego rozpraszania światła.
Jest to więc technika odpowiednia do analizy i charakterystyki nanocząstek. Inne jej zalety to pomiary zarówno silnie skoncentrowanych jak i bardzo rozcieńczonych próbek oraz możliwość wyznaczania potencjału Zeta, masy cząsteczkowej i stężenia. Taka funkcjonalność jest wbudowana w wiele naszych analizatorów.
Współczynniki dyfuzji (D) cząstek są odwrotnie proporcjonalne do wielkości (dp, średnica hydrodynamiczna) cząstek, zgodnie z zależnością Stokes-Einstein.
(k= stała Boltzmanna, T=temperatura, η= lepkość)
Aby dokładnie określić wielkość cząstek, należy znać dokładną wartość parametru T (temperatura) oraz η (lepkość) cieczy.
Technika dynamicznego rozpraszania światła (DLS) mierzy ruch metodą optyczną poprzez rejestrację sygnału światła rozproszonego pod zadanym kątem. Cząstki są oświetlane monochromatycznym, koherentnym źródłem światła (laserem), a następnie rejestrowane jest światło rozproszone przez te cząstki.
Istotna jest tu czasowa fluktuacja sygnału światła rozproszonego, ponieważ zawiera ona informacje o ruchu cząstek. Fluktuacje te spowodowane są tym, że cząsteczki rozpraszające światło poruszają się względem siebie, co powoduje ciągłe zmiany interferencji w całkowitym rozproszonym świetle. Światło rozproszone przez cząsteczki zawiera zatem niewielkie zmiany częstotliwości spowodowane zależnym od czasu położeniem lub prędkością cząsteczek. Mierzony w czasie, ruch powoduje rozkład przesunięć częstotliwości.
Częstotliwości tych przesunięć mogą być określone przez porównanie z koherentnym optycznym punktem odniesienia. W dynamicznym rozpraszaniu światła, częstotliwości przesunięć zawierają się w przedziale od 1 Hz do 100kHz, co może być łatwo zmierzone.
Istnieją dwa podejścia do odniesienia optycznego: detekcja homodynowa i detekcja heterodynowa.
W podejściu homodynowym światło rozproszone samo stanowi odniesienie dla określenia przesunięcia częstotliwości. W przeciwieństwie do tego, w metodzie kontrolowanego odniesienia lub detekcji heterodynowej, światło rozproszone jest nakładane na część światła padającego, które stanowi odniesienie dla określenia przesunięcia częstotliwości. Wynikowy sygnał detektora w obu metodach zawiera rozkład częstotliwości, który jest reprezentatywny dla wielkości cząstek w zawiesinie.
Spośród tych dwóch podejść, tryb heterodyny z "kontrolowaną referencją" oferuje wiele zalet w stosunku do ustawień homodyny w analizatorze dynamicznego rozpraszania światła. Najważniejszą z nich jest intensywność sygnału. Jest ona proporcjonalna do is2, średniego natężenia światła rozproszonego podniesionego do kwadratu, w pomiarze homodynowym. Natomiast intensywność sygnału w pomiarze heterodynowym jest proporcjonalna do is x i0, czyli iloczynu natężenia światła rozproszonego i natężenia światła odniesienia.
Dzięki temu uzyskuje się znacznie silniejszy sygnał pomiarowy i możliwe jest zastosowanie diod laserowych jako źródła światła i fotodiod krzemowych jako detektora. Zwiększona siła sygnału ułatwia również pomiar bardzo małych, słabo rozpraszających cząstek aż do dolnego zakresu nanometrów.
λ= długość fali w ośrodku zawieszonym, ω = częstotliwość,
ωo =częstotliwość od cząstki w połowie wysokości,
η = lepkość, θ = kąt rozproszenia, is = rozproszone natężenie optyczne, io= referencyjne natężenie optyczne, r = promień cząstki, k = stała Boltzmanna, T = temperatura
Sygnał dynamicznego rozpraszania światła może być oceniany na różne sposoby: poprzez zależną od czasu funkcję autokorelacji lub częstotliwościowe widmo mocy (FPS), przy czym jedno jest transformacją Fouriera stopnia drugiego. Pomiar homodynowy z autokorelacją jest podstawą szeroko stosowanej "spektroskopii korelacji fotonów" (PCS). Wymaga ona autokorelatora i określa jedynie średnią intensywność (z-średnia) oraz "indeks polidyspersji", który jest przybliżonym wskaźnikiem szerokości rozkładu. Do obliczenia rozkładu wymagane są algorytmy dopasowania krzywej specyficzne dla danego instrumentu.
Jednakże, metoda częstotliwościowego spektrum mocy (FPS) jest bardziej niezawodna i wyraźnie lepsza od PCS pod względem czułości, dokładności i rozdzielczości. Sygnał DLS z detektora jest matematycznie przekształcany w częstotliwościowe widmo mocy przez szybką transformację Fouriera i po iteracyjnej minimalizacji błędu, dostarcza bezpośredniego wskazania rozkładu wielkości.
Częstotliwościowe widmo mocy przyjmuje postać funkcji Lorentziana. Częstotliwość charakterystyczna, ω0, jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości cząstek. Rysunek przedstawia widmo częstotliwościowo-mocowe dla różnych rozmiarów cząstek. Odwrotna zależność częstotliwości charakterystycznej od wielkości cząstki jest oczywista.
1. Detektor | 2. Odbita wiązka lasera i światło rozproszone | 3. Okienko szafirowe | 4. Rozgałęźnik wiązki Y | 5. Soczewka GRIN | 6. Próbka | 7. Wiązka laserowa w światłowodzie | 8. Laser
Firma Microtrac przyjęła innowacyjne podejście do dynamicznego rozpraszania światła (DLS), wykorzystując opatentowaną konstrukcję sondy do dostarczania i zbierania światła. Skupiając sondę laserową na interfejsie materiału, Microtrac łączy zalety krótkiej długości ścieżki z sygnałem referencyjnym i rozpraszaniem wstecznym 180°, zapewniając najlepszą dokładność, rozdzielczość i czułość.
Najsilniejszy sygnał optyczny i dokładność przy najniższych stężeniach: Wszystkie pomiary dynamicznego rozpraszania światła wykorzystują formę "pobijania" w celu usunięcia wysokiej częstotliwości optycznej z rozproszonego światła, pozostawiając niższe częstotliwości wywołane ruchem cząstek, wymagane do analizy wielkości. Zasada detekcji heterodynowej Microtrac wykorzystuje sondę do zbierania pod kątem 180° światła wstecznie rozproszonego zmieszanego ze światłem padającym.
Geometria elementów umożliwia odbicie światła od interfejsu i połączenie go z zebranym światłem rozproszonym. Odbite światło umożliwia bicie referencyjne. Całkowity sygnał optyczny jest wzmacniany przez wysoką intensywność składowej odbitej. W rezultacie uzyskuje się najwyższy możliwy sygnał optyczny zapewniający dokładne pomiary w najniższych możliwych stężeniach.
Zasada pomiaru heterodynowego z biciem referencyjnym pozwala również na określanie wielkości cząstek fluorescencyjnych.
Sonda firmy Microtrac stosowana w analizatorach dynamicznego rozpraszania światła skupia laser na interfejsie pomiędzy sondą a zawiesiną cząstek. Światło przenika przez zawiesinę i następuje rozpraszanie z napotkanymi cząstkami i światłem wstecznie rozproszonym pod kątem 180°. Wymieszane z padającym światłem powraca do fotodetektora. Całkowita długość ścieżki jest zminimalizowana, podczas gdy zebrane światło rozproszone jest zmaksymalizowane. Dzięki temu uzyskuje się dokładne pomiary nawet przy najwyższych stężeniach cząstek.
Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) jest wykorzystywane w analizatorach cząstek NANOTRAC firmy Microtrac.
Nasz zespół ekspertów z przyjemnością doradzi Państwu w zakresie Państwa zastosowań oraz naszego asortymentu produktów.
Dynamiczne Rozpraszanie Światła jest szeroko stosowaną metodą pomiaru wielkości cząstek. Jest ona szczególnie przydatna do charakteryzacji nanomateriałów. Mierzone są ruchy Browna (współczynnik dyfuzji) cząstek w cieczy i poprzez wykorzystanie równania Stokesa-Einsteina otrzymywana jest hydrodynamiczna średnica cząstek. Do takiej anlizy potrzebna jest informacja na temat temperatury i lepkości.
W analizie cząstek metodą dynamicznego rozpraszania światła próbka jest oświetlana wiązką laserową, a światło rozproszone jest rejestrowane pod jednym kątem detekcji (w większości przypadków w kierunku wstecznego rozpraszania) przez okres zazwyczaj 30-120 sekund. Ruch cząsteczek powoduje fluktuacje intensywności w świetle rozproszonym. Na podstawie tych fluktuacji można określić współczynnik dyfuzji, a tym samym wielkość cząstek.
Zakres pomiarowy dynamicznego rozpraszania światła wynosi od 0,3 nm do 10 µm. Pokrywa się to w znacznym stopniu z dyfrakcją laserową, której zakres pomiarowy zaczyna się od 10 nm a kończy na kilku milimetrach. Wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek, metoda dynamicznego rozpraszania światła staje się coraz lepsza w porównaniu z dyfrakcją laserową. W przypadku większych cząstek, dyfrakcja laserowa ma przewagę nad dynamicznym rozpraszaniem światła.
Oprócz możliwości analizowania niezwykle małych cząstek, zaletą dynamicznego rozpraszania światła jest zdolność do pomiaru w szerokim zakresie stężeń - od kilku ppm do 40 % obj. (w zależności od próbki). Pomiary mogą być przeprowadzane w różnych naczyniach, a sonda może być nawet zanurzona bezpośrednio w badanej próbce. Ponadto, wiele urządzeń do dynamicznego rozpraszania światła oferuje możliwość dodatkowego pomiaru potencjału zeta.
Dynamiczne Rozpraszanie Światła jest wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu do różnych zastosowań. Typowymi próbkami dla dynamicznego rozpraszania światła są cząsteczki mniejsze niż 1 mikrometr. Są to pigmenty, tusze, mikroemulsje, ceramika, farmaceutyki, napoje i środki spożywcze, kosmetyki, metale, kleje, polimery, koloidy, makrocząsteczki organiczne i wiele innych.
Metoda dynamicznego rozpraszania światła do analizy wielkości cząstek i pomiaru rozkładu wielkości cząstek opisana jest w normie ISO 22412. Dodatkowo, analiza potencjału zeta, która często może być przeprowadzana przy użyciu analizatora dynamicznego rozpraszania światła jest opisana w ISO 13099.
Istnieją różne metody pozyskiwania i oceny sygnału dynamicznego rozpraszania światła. Technologia heterodyny (lub bicia referencyjnego), która wykorzystuje część wiązki padającej jako odniesienie dla światła rozproszonego, okazała się lepsza pod względem stosunku sygnału do szumu. Sygnał zależny od czasu jest przekształcany w widmo mocy częstotliwości za pomocą transformaty Fouriera. Wielkość cząstek może być uzyskana na podstawie tego widma mocy.
