fa fa fa ru en fa mzn fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa ar fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa en fa fa fa en fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa ar fa fa ar fa fa fa fa fa fa fa fa en fa fa fa fa
اندازه گیری ذرات با استفاده از روش پراکندگی استاتیک نور لیزر روشی براساس الگوی نور پراکنده شده بر روی آشکارساز است. این الگوی نور پراکنده شده مجموعه ای از الگوهای پراکندگی است که توسط هر یک از ذرات ایجاد می شود. بوسیله این الگوی پراکندگی می توان اطلاعاتی از اندازه ذرات بدست آورد. این روش آنالیزی روشی سریع، نسبتاً ارزان و غیر مخرب برای اندازه گیری توزیع اندازه ذرات است. از این روش برای اندازه گیری ذراتی که اندازه آن ها بیش از 10 میکرومتر است کاربرد دارد.
اندازه ذرات و توزیع آن ها، تاثیر بسیاری بر روی دانسیته، خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی مواد می گذارد. روش پراش لیزر روشی است که به صورت گسترده ای برای اندازه گیری ذرات مورد استفاده قرار می گیرد. روش هایی که از پرتو نور به عنوان یک پیمایشگر برای تعیین اندازه ذرات استفاده می شود به دو دسته تصویری و غیرتصویری تقسیم بندی می شوند. روش غیرتصویری براساس اصول فیزیکی است که بیان کننده برهمکنش بین نور و ذره می باشد. دستگاه اندازه گیری ذرات با استفاده از پراکندگی استاتیک نور لیزر در گروه روش های غیرتصویری قرار می گیرد. شکل (1) شماتیکی از این دستگاه را نشان می دهد.
شکل 1- شماتیکی از دستگاه اندازه گیری ذرات با روش پراکندگی استاتیک نور لیزر
2- برهمکنش نور با ماده
نور، موج الکترومغناطیس در محدوده (مادون قرمز) 1013 هرتز تا (ماورابنفش) 1017 هرتز یا محدوده3 تا 30000 نانومتر است. رابطه بین فرکانس و طول موج به صورت C=λѵ می باشد که در آن C سرعت نور در خلأ است. نور خاصیت موج و ذره دارد. نور را می توان به صورت بسته های انرژی یا فوتون در نظر گرفت که همه فوتون های نور طول موج خاصی داشته و مقدار مشخصی انرژی دارند. شدت نور در یک طول موج خاص برابر است با تعداد فوتون هایی که در واحد زمان از واحد سطح می گذرند. در روش تعیین اندازه ذرات با پراش لیزر، از لیزر به عنوان منبع نور استفاده می شود. در مقایسه با نور سفید که شامل طیفی از طول موج ها است، نور لیزر از یک طول موج تشکیل شده و اصطلاحاً تکفام است. نور لیزر نوری کوهرنت و جهتدار است. با برخورد نور به ذره چهار پدیده پراش، جذب، انعکاس و انکسار رخ می دهد که مقدار هر یک از این پدیده ها به طول موج نور و ویژگی های اپتیکی ماده بستگی دارد. شکل (2) پدیده های پراش، انعکاس، جذب و انکسار نور را نشان می دهد.
شکل 2- برهمکنش نور با ذره.
هر ساختاری دارای الکترون است و نور نیز شامل میدان های الکتریکی و مغناطیسی است. در اثر برخورد نور با ماده، میدان الکتریکی نوسان کننده نور بر روی الکترون های ذره تاثیر می گذارد و ارتعاش الکترونی در ذره ایجاد می کند. این عامل سبب می شود نور از مسیر خود منحرف شود. پراکندگی به صورت مجموعی از پراش، انکسار و انعکاس تعریف می شود. در پراکندگی نور، جذب در نظر گرفته نمی شود زیرا با جذب، انرژی دوباره نشر نمی شود و تبدیل می شود. شدت نور پراکنده شده تابعی از طول موج λ، زاویه پراکندگی θ (زاویه بین نور برخوردی و پراکنده شده)، اندازه ذره d و n ضریب شکست نسبی محیط و ذره است.
3-1- انواع پراکندگی نور
با توجه به فرکانس نور پراکنده شده و نور برخوردی، روش هایی که براساس پراکندگی نور هستند به سه گروه الاستیک، شبه الاستیک و غیر الاستیک تقسیم بندی می شوند. در حالت الاستیک، سیگنال پراکندگی شناسایی شده، براساس شدت نور متوسط- زمان است و بنابراین انحراف فرکانس نور برخوردی اندازه گیری نمی شود. در پراکندگی شبه الاستیک، فرکانس نور پراکنده شده اختلاف کمی با نور برخوردی دارد و عمدتاً در محدوده چند هرتز تا چند صد هرتز است. این اختلاف فرکانس ایجاد شده ناشی از حرکت انتقالی و چرخشی ذرات است و مقدار آن رابطه مستقیمی با حرکت ذرات دارد. در پراکندگی غیر الاستیک، اختلاف فرکانس نور پراکنده شده و نور برخوردی بیش از چند صد هرتز است. در پراکندگی غیر الاستیک سیگنال های پراکندگی برای ذراتی با جرم زیاد در مقایسه با الاستیک و شبه الاستیک بسیار ضعیف است و بنابراین کاربردهایی در آنالیز ذرات ندارد. از این پراکندگی اغلب در مطالعه ساختار مولکول ها و مایعات استفاده می شود. پراکندگی نور به صورت استاتیک یا (SLS= Static light scattering) در گروه الاستیک و پراکندگی نور به صورت دینامیکی (DLS= Dynamic light scattering) در گروه شبه الاستیک قرار دارند. در روش پراکندگی نور استاتیک، اطلاعات در مورد اندازه ذرات از ویژگی های شدت الگوی پراکندگی در زوایای مختلف حاصل می شود. در حالی که در روش پراکندگی نور دینامیکی اندازه ذرات با استفاده از ارتباط بین متغیرهای شدت نور و حرکت براونی ذرات تعیین می شود.
3-2- اصول کلی پراکندگی نور
دستگاه هایی که براساس پراش نور عمل می کنند بر پایه سه اصل کلی استوار هستند: 1. ذراتی که نور را پراکنده می کنند کروی هستند. 2. برهمکنشی بین نور پراکنده شده از ذرات مختلف وجود ندارد (به عبارت دیگر، پراکندگی مضاعف وجود ندارد). 3. الگوی پراکندگی در آشکارساز، مجموع الگوهای پراکندگی است که توسط هر ذره در اثر برهمکنش با نور برخوردی حاصل می شود. به منظور توضیح پراکندگی نور از ذرات کروی، مدل های اپتیکی مورد نیاز هستند. راه حل پراکندگی نور توسط ذرات کروی با اندازه های مختلف بر اساس تقسیم بندی زیر است: • زمانی که قطر ذره از طول موج برخوردی بسیار بزرگ¬تر باشد (d>>λ) در این حالت از مدل Fraunhofer استفاده می شود. • زمانی که قطر ذره قابل مقایسه با طول موج برخوردی باشد از مدل Mie استفاده می شود. • و اگر قطر ذره از طول موج برخوردی بسیار کوچک تر باشد (d<<λ) در این حالت از مدل Rayliegh استفاده می شود (شکل (3)). در رابطه Rayliegh قطر ذرات 0.1 طول موج است. مدل Fraunhofer زمانی است که اندازه ذرات حدود 6-5 برابر از طول موج نور برخوردی بزرگ تر باشند. در عمل طول موج دستگاه ها 800-633 نانومتر است و بنابراین فقط برای ذرات بزرگ تر از 8/4 میکرومتر می توان از تقزیب Fraunhofer استفاده نمود. ذراتی که از این مقدار کوچک تر هستند با تئوری Mie آنالیز می شوند. الگویی که توسط برخورد نور به ذرات و جمع شدن آن بر روی آشکارساز ایجاد می شود تنها الگوی تفرق یا پراش نیست بلکه یک الگوی پیچیده پراکندگی است. متاسفانه آشکارسازی وجود ندارد که بین نور پراشیده شده و دیگر پدیده ها تمایز قائل شود. بنابراین نیاز است که دیگر پدیده های پراکندگی نیز برای بدست آوردن نتایج یک آنالیز دقیق بکار گرفته شوند. راه حل این مشکل استفاده از فرمول Mie برای آنالیز است. این فرمول تمام پدیده هایی که در اثر برخورد نور به ذرات کروی اتفاق می افتد را در برمی گیرد. این فرمول بسیار پیچیده است که شکل ساده شده آن به صورت رابطه (2) است.
با خارج شدن پارامترهای پیچیده از آن در نهایت سه پارامتر تاثیرگذار، A شعاع ذره، W زاویه پراکندگی و پارامترهای اپتیکی و m ضریب شکست موهومی و حقیقی است. این تئوری از سه بخش تشکیل شده است، ترم اول پراکندگی Fraunhofer، ترم دوم پراکندگی Mie و ترم سوم پراکندگی Rayliegh است. اگر اندازه ذرات خیلی بزرگ باشد قسمت دوم و سوم بسیار کوچک هستند و بنابراین می توان از آن ها صرفنظر نمود. و اگر ذرات بسیار ریز باشند ترم اول بسیار کوچک بوده و می توان آن را نادیده انگاشت. در ذراتی که پراکندگی Fraunhofer را نشان می دهند، پراکندگی بسیار قوی به سمت جلو دارند و شدت نور پراکنده شده بسیار شدید است. ذرات کوچک تر که پراکندگی Mie را نشان می دهند در این حالت پراکندگی به سمت جلو و شدت نیز کاهش می یابد. ذراتی که پراکندگی Rayliegh را نشان می دهند، الگوی پراکندگی بسیار متقارنی دارند. این ذرات اطلاعات زاویه ای ندارند و بنابراین ذراتی با ویژگی Rayliegh بوسیله لیزر مورد آنالیز قرار نمی گیرند
شکل 3- الگوهای پراکندگی نور در برخورد به ذره [4].
اگر اندازه ذرات بسیار بزرگ تر از طول موج نور باشد و یا ماده به شدت جذب داشته باشد، ذرات مقداری از انرژی نور را به نسبت دو برابر سطح مقطع شان حذف می کنند. در این حال لبه ذرات تاثیر زیادی بر روی شدت پراکندگی می گذارند. یعنی پراش بوسیله خم شدن نور در اطراف ذرات است. در این موارد پراکندگی از قسمت داخلی ذره از اهمیت کمتری برخوردار بوده و نادیده گرفته می شود. برای ذرات بزرگ با توجه به تاثیر لبه ها تعدادی معادلات پراش برای توضیح الگوی پراکندگی در نظر گرفته می شود. ذرات به جای یک ذره سه بعدی مانند یک شی دو بعدی رفتار می کنند و فقط سطحی که در برابر نور برخوردی است اهمیت پیدا می کند. پراش یک اثر فیزیکی مهم در تمام پدیده های موجی است. دو گروه از پراکندگی با نام های Fraunhofer و Fresel وجود دارند. پراکندگی Fraunhofer زمانی است که منبع مورد استفاده شامل پرتوهای موازی (موج های صفحه ای کوهرنت) باشد. پراکندگیFresel نیز در حالتی است که منبع نور مورد استفاده منبع نقطه ای باشد. در مواردی که ذره بسیار بزرگ تر از طول موج نور و جسم مات باشد، تئوری Fraunhofer در نظر گرفته می شود. شدت پراکندگی در این مورد در جهت جلو متمرکز می شود و عمدتاً در زوایای کمتر از 10 درجه است. در این تئوری در مورد ذرات کروی، زاویه اولین مینیمم شدت پراکندگی، با اندازه ذره به صورت مقابل رابطه (3) دارد:
4- اجزای تشکیل دهنده دستگاه
از دو منبع نوری در دستگاه های پراش لیزر استفاده می شود که شامل 1) نور سفید و 2) نور لیزر است. منبع نور سفید لامپ تنگستن-هالوژن است که در مواقعی مورد استفاده قرار می گیرد که چندین طول موج مورد نیاز باشد و طول موجی از 300-250 نانومتر دارد. مزیتی که نور لیزر دارد آن است که تک طول موج، جهت دار و کوهرنت است. لیزرهای مورد استفاده لیزر هلیوم-نئون و لیزرهای دیودی است. تفاوت آن ها در توان لیزر و طول موج است. در بیشتر موارد از لیزرهای هلیوم-نئون با طول موج 632 نانومتر استفاده می شود. هرچه از طول موج های کوچکتری استفاده شود محدوده اندازه گیری اندازه ذره افزایش می یابد. برای مثال اگر λ برابر با 375 نانومتر باشد پایین ترین محدوده اندازه گیری نصف حالتی است که از طول موج برابر با 750 نانومتراستفاده شود.
نمونه های مورد آنالیز در دستگاه های پراکندگی نورلیزر به صورت: 1) ذرات جامدی هستند که به صورت معلق در مایع اند. 2) ذرات جامد یا مایع هستند که در یک محیط گازی به صورت معلق در آمده اند. برای اینکه بتوانیم توزیع اندازه دقیقی داشته باشیم بایستی آماده سازی نمونه به دقت انجام گیرد. هرگونه تجمع و آگلومره شدن بر روی توزیع اندازه ذرات نهایی تاثیرگذار است. در مورد ذرات جامد معلق در محیط مایع، چون دستگاه نمی تواند بین ذرات آگلومره شده و یا ذراتی که به صورت تفکیک شده از هم هستند تمایز قائل شود، بنابراین باید فرایند آماده سازی انجام شود. در این حال پراکنده کردن با روش های مختلفی مانند آلتراسونیک، اضافه نمودن پراکندهساز و پایدار سازی با pH انجام می شود. البته باید توجه نمود که فرایند پراکنده نمودن باعث ایجاد حباب نشود زیرا سبب خطا در توزیع اندازه ذرات می شود. غلظت نمونه نیز از مواردی است که باید مورد توجه قرار گیرد. از آنجایی که این دستگاه براساس پراکندگی نور است بنابراین اگر غلظت سوسپانسیون بالا باشد پراکندگی مضاعف رخ می دهد و اگر غلظت کم باشد نور با ذره ای برخورد نمی کند. مایعات مورد استفاده در این روش، آب، ایزوپروپانول و یا دیگر مایعات کم خطر است. شکل(4) نشان می دهد که با افزایش زمان اولتراسنیک از 15 ثانیه به یک دقیقه تغییر زیادی در اندازه ذرات مشاهده شده است. و در زمان هایی بیش از 3 دقیقه کاهش کمی در قطر میانگین دیده می شود[3].
شکل 4- تاثیر زمان اولتراسنیک بر نتایج اندازه گیری ذرات
وقتی نور به ذرات برخورد می کند بسته به ماهیت ماده، طول موج نور و اندازه ماده، نور در جهات مختلف پراکنده می شود. این الگوی پراکنده شده باید به نحوی جمع آوری شود. در این قسمت از لنز استفاده می شود. لنزهایی که بین نمونه و آشکارساز قرار می گیرند لنزهای فوریه نامیده می شوند. در این جا پرتوهایی که با هم موازی هستند بر روی یک نقطه در صفحه کانونی در جایی که آشکارساز قرار گرفته است جمع می شوند. بنابراین حرکت ذره در منطقه اندازه گیری تاثیری بر روی الگوی پراکندگی آن نمی گذارد. ماکزیمم زاویه پراکندگی که شدت پراکندگی آن توسط لنز جمع می شود طبق رابطه زیر است:
که در آن D قطر پرتو، dL قطر لنز و l فاصله لنز تا نمونه است.
یکی از مهمترین و پیچیده ترین جزئی که در دستگاه های اندازه گیری ذرات با لیزر استفاده می شود آشکارساز است. تعداد آشکارسازهایی که مورد استفاده قرار می گیرد عامل تعیین کننده ای در بدست آوردن دقت بالا و توزیع اندازه صحیح است. آشکارسازهای مورد استفاده شامل: 1) فوتودیودها: یکی از موثرترین آشکارسازهای نوری هستند که از اتصالات نیمه هادی ساخته می شوند. وقتی یک فوتون به نیمه هادی برخورد می کند در نتیجه آن یک الکترون از لایه ظرفیت به لایه هدایت منتقل شده و یک جفت الکترون-حفره ایجاد شده و سیگنال حاصل می شود. 2) CCDها: عناصر حساس به نور هستند که یک جمع کننده الکترون دارد و الکترون را ذخیره می کند. همان طور که انرژی نور باعث آزاد کردن الکترون می شود، برخلاف آشکارساز نوری که جریان تولید می کند، CCDها الکترون را جمع می کنند. 3) آشکارسازهای حلقه ای: نور پراکنده شده توسط لنزها به حلقه های این آشکارساز برخورد می کنند. بین این حلقه ها فاصله عایقی وجود دارد که حلقه ها را از یکدیگر جدا می کند. زمانی که الگوی پراکندگی بر روی حلقه ها منطبق می شود هر حلقه عرض مشخصی داشته و محدوده خاصی از زوایا را دربرمی گیرد. سیگنال تولید شده بوسیله هر حلقه با شدت متوسط آن محدوده از زوایای حلقه، متناسب است. تعداد حلقهها بر روی آشکارساز حلقه ای متغیر است.
4-5- بدست آوردن اطلاعات
در اثر برخورد نور با ذره، ذره شروع به پراکنده ساختن نور می کند. وقتی تعداد کافی از ذرات در ناحیه اندازه-گیری باشد، سیگنال مناسبی از آشکارساز نوری دریافت می شود. در طی هر اسکن، شدت نور بوسیله آشکارساز به جریان تبدیل می شود و سیگنال ها به صورت دیجیتالی به رایانه فرستاده می شود. توزیع شدت نور پراکنده شده به اندازه ذرات بستگی دارد و از آنجایی که ذرات با اندازه های مختلفی در محیط اندازه گیری هستند بنابراین یکی از روش های بدست آوردن توزیع اندازه ذرات استفاده از ماتریس است که در آن: s: اطلاعات توزیع شدت نور پراکنده شده. q: اطلاعات توزیع اندازه ذرات که برحسب درصد بیان می شود.
A: یک ماتریس ضریب است که برای تبدیل اطلاعات از توزیع اندازه به شدت نور پراکنده شده استفاده می شود. همانطور که پیش از این بیان شد وقتی قطر ذره از طول موج بزرگ تر طول موج باشد تئوری Fraunhofer در نظر گرفته می شود. اما اگر ذره قابل مقایسه با طول موج باشد در این صورت نیاز است که از پراکندگی Mie استفاده شود بنابراین بایدویژگی های اپتیکی محیط و ذره در نظر گرفته شود، در این صورت ماتریس A پیچیده-تر می شود. در شکل (5) الگوی پراکندگی و توزیع اندازه منطبق با آن الگوی پراکندگی را برای نمونه ای که دارای اندازه ذرات 0.1 میکرومتر تا 1 میلی متر است و در آن از روش ماتریس معکوس استفاده شده است را نشان می دهد.