A dinamikus fényszórás (DLS) módszere bevált és pontos eljárás szuszpenzióban és emulzióban lévő szemcsék mérete meghatározásához. A Microtrac cég úttörő munkát végez a szemcseanalízis területén, már 30 éve fejleszt és gyárt dinamikus fényszórás elvén működő optikai készülékeket.
A dinamikus fényszórás (DLS) módszere bevált és pontos mérési eljárás szuszpenzió és emulzió szemcséi jellemzésére. A mérés a szemcsék Brown-féle mozgásán alapul, mely szerint a kisebb szemcsék gyorsabban, a nagyobbak pedig lassabban mozognak (diffundálnak) folyadékban. A megvilágított minta szemcséin szóródó fény információt tartalmaz e diffúzió sebességéről és így a szemcsék méreteloszlásáról.
Dinamikus fényszórás módszerével 0,8 - 6500 nm mérettartományba eső szemcsék analizálhatók. Míg a sztatikus fényszórás módszere 100 nm-nél kisebb szemcséknél felmondja a szolgálatot a mért jel gyengesége és elégtelen szögfüggése miatt, addig a dinamikus módszer éppen ebben a mérettartományban mutatja meg előnyeit. Olyan módszer tehát, mely különösen nanoszemcsék analízisére és jellemzésére alkalmas. További előnye még, hogy a szemcsék nagyon tömény ill. nagyon híg szuszpenziói is mérhetők, ill. lehetséges zétapotenciáljuk és koncentrációjuk meghatározása is.
A szórt fény analízisének a foton-korrelációs spektroszkópia (PCS) a hagyományos módszere. Ez a módszer autolorrelátor egységet igényel és a csak a szemcseméret átlagolt értékét ("z-average") ill. egy "polidiszperzitási indexet" képes meghatározni, ami a méreteloszlás szélessége durva közelítésének felel meg. A szemcsék méreteloszlása számításához egyedi gyártói algoritmussal működő görbeillesztésre van szükség.
A spektrális teljesítménysűrűség-függvényt (FPS) alkalmazó módszer más - megbízhatóbb, mert érzékenység, pontosság és felbontás vonatkozásában messze felülmúlja a PCS teljesítményét. Itt a detektor időbeli jelét Fourier-transzformációval a frekvenciától függő jellé alakítják és ebből képezik annak spektrális teljesítménysűrűség-függvényét. E függvény értékeire iteratív módon illesztett görbék paraméterei közvetlen módon megadják a szemcsék méreteloszlását.
A Brown-féle mozgás diffúziós sebessége fordítottan arányos a szemcsék dp (hidrodinamikai átmérő) paraméterével:
A szemcsék (D) diffúziós együtthatója a Stokes-Einstein egyenlet szerint fordítva arányos méretükkel (dp, hidrodinamikai átmérőjükkel).
(k=Boltzmann állandó, T=hőmérséklet, η= viszkozitás)
A szemcse méretének helyes meghatározásához ismerni kell a folyadék T (hőmérséklet) és η (viszkozitás) paraméterei pontos értékét.
Dinamikus fényszórás (DLS) módszernél a szemcsék mozgását rögzített szögbe szórt fény intenzitása detektálása útján optikailag mérik. A szemcséket monokromatikus, koherens fényforrással (lézerrel) világítják meg és a detektálják a szemcsék által szórt fényt.
A szórt fény intenzitása időbeli ingadozása (fluktuációja) fontos itt, mivel ez szolgál információval a szemcsék mozgásáráról. Fluktuációk azért lépnek fel, mert a fényt szóró szemcsék egymáshoz képest mozgásban vannak és ez állandóan változó interferenciákat hoz létre a szórt fény összességén belül. A szemcsék által szórt fény kis frekvenciaeltolódásokat szenved el a szemcsék helyzete időbeli változásai, azaz mozgásuk sebességei miatt. A szórt fény frekvenciája időbeli detektálása révén meghatározható a szemcsék mozgása okozta frekvenciaeltolódások eloszlása.
Ezek a frekvenciaeltolódások koherens optikai referenciafrekvenciához való hasonlítással meghatározhatók. Dinamikus fényszórás esetén a frekvenciaeltolódások 1 Hz - 100KHz mértékűek, ezek méréstechnikailag könnyen megmérhetők.
Optikai referenciajel használatánál két megközelítés létezik: homodyne detektálás ("self-beating" vagy "self-reference" is az elnevezése) és heterodyne detektálás ("reference beating" vagy "controlled reference").
Homodyne megközelítésnél maga a szórt fény szolgál referenciajelként a frekvenciaeltolódás meghatározásához. Ezzel szemben "controlled reference" vagy heterodyne detektálásnál a beeső fény egy része szolgál referenciajelént és adódik hozzá a szórt fényhez a frekvenciaeltolódás meghatározásához. Mindkét módszer esetében az eredményül kapott detektorjel tartalmazza frekvenciaeloszlást, mely jellemző a minta szemcséi méreteloszlására.
A két megközelítés közül a "kontrollált referenciát" alkalmazó heterodyne módszer számos előnyt kínál a homodyne kialakítású dinamikus fényszórás analizátorral szemben. A legfontosabb ezek közül a detektált jel intenzitása. Homodyne mérésnél ez a szórt fény átlagolt intenzitása négyzetével - is2 értékkel, heterodyne mérésnél viszont a szórt fény és a referenciajel intenzitása szorzatával - is x i0 értékkel - arányos.
Ez sokkal erősebb mérési jelet eredményez és lehetővé teszi fényforrásként diódalézerek és detektorként szilícium fotodiódák alkalmazását. A feljavított erősségű detektorjel segíti a nagyon kicsiny, gyengén szóró szemcsék mérését - egészen le a nanométertartományig.
λ= hullámhossz a szuszpendáló közegben, ω = frekvencia,
ωo = frekvencia félértéknél,
η = viszkozitás, θ = szórási szög, is = szórt intenzitás, io= beeső intenzitás, r = szemcse sugara, k = Boltzmann-állandó, T = hőmérséklet
A dinamikus fényszórás detektált jelét különböző módokon lehet kiértékelni: az időben mért jel autokorrelációs vagy frekvencia teljesítménysűrűség (FPS: frequency power spectrum) függvénye útján, mivel e két függvény egymás Fourier-transzformáltjai. Autokorrelációt használó homodyne mérés az alapja a széles körben elterjedt foton-korrelációs spektroszkópiának (PCS: photon correlation spectroscopy). Ez a módszer autokollerátor alkalmazását igényli és csupán az átlagolt jelintenzitásból származó, közepes szemcseméretet ("z-average") és a méreteloszlás szélessége csak durva becslését szolgáltató "polidiszperzitási index"-et képes meghatározni. Az eloszlás kiszámításához készülék-specifikus illesztő algoritmusokra van szükség.
A frekvencia teljesítményspektrum (FPS) módszer sokkal megbízhatóbb és messze felülmúlja a PCS módszert a mérés érzékenysége, helyessége és felbontása vonatkozásában. A detektor DLS jelét gyors Fourier-transzformáció matematikai eljárásával a jel frekvencia teljesítményspektrumává alakítják, majd az ehhez történő iteratív görbeillesztés közvetlenül megadja a szemcseméret-eloszlást.
A frekvencia teljesítményspektrum alakja Lorentz-görbe. A jellemző frekvencia (= görbe félértékszélesség), ω0, értéke fordítva arányos a szemcse méretével. Az ábra különböző szemcseméretekhez tartozó frekvencia teljesítményspektrumot mutat. Az ábrából nyilvánvaló a jellemző frekvencia és a szemcseméret fordított arányossága.
1. detektor | 2. visszavert lézersugár és szórt fény | 3. zafír ablak | 4. Y-sugárosztó | 5. GRIN lencse | 6. minta | 7. lézersugár optikai szálban | 8. lézer
A Microtrac cég a dinamikus fényszórás (DLS) mérésnél a fény összegyűjtésre és továbbítására szolgáló mérőfej kialakításakor különlegesen innovatív megoldást választott. A lézer mérőfej fényét a minta felületére fókuszálva ez a Microtrac megoldás a rövid fényutat a "reference beating" és a 180°-os visszaszórás technológiával kombinálja, biztosítva így a mérés legnagyobb helyességét, felbontását és érzékenységét.
Mindegyik dinamikus fényszórási mérés a lebegési jelenség (‘beating’) valamely formáját hasznosítja, hogy a szórt fénytől leválassza a nagy frekvenciájú optikai komponenst és így a szemcseméretanalízishez megmaradjanak a szemcsék mozgása által létrejött kis frekvenciák. A Microtrac cég heterodyne detektálási rendszere a mérőfejben összekeveri a 180°-ban visszaszórt fény a beeső fénnyel. Az optikai komponensek geometriai elrendezése teszi lehetővé, hogy az azokon reflektált fény kombinálódjék a mintán szóródó, összegyűjtött fénnyel. A visszavert (referencia) fény révén jön létre a referencia lebegtetést ("reference beating"). A visszavert fény nagy intenzitása felerősíti a detektált optikai jelet. Ennek eredményeként mérhető lehető legnagyobb optikai jel helyes mérési eredményeket garantál még a legkisebb szemcsekoncentrációk esetén is.
A "reference beating" erősítést felhasználó heterodyne mérési elv lehetővé teszi fluoreszcens szemcsék méretének analízisét is.
Microtrac mérőfej a mérőfej és a mintaszuszpenzió határfelületére fókuszálja a lézer fényét. A szuszpenzióba behatoló fény szóródik az útjába kerülő szemcséken ill. 180°-ban is visszaszóródik. A beeső fénnyel keveredve bejut a fotodetektorba. Az összesített fényút hossza minimális, miközben a szórt fény begyűjtése maximális!
Eredmény: a legnagyobb szemcsekoncentrációknál (is) helyes mérési eredmény
A dinamikus lézerfényszórás (DLS) módszerét számos különböző Microtrac szemcseanalizátor alkalmazza.
Munkatársaink szívesen adnak tanácsot készülékeinkről és alkalmazási lehetőségeikről.
A dinamikus fényszórás széles körben elterjedt szemcseméret mérési módszer. Különösen alkalmas nanoszemcsék jellemzésére. Folyadékban szuszpendált szemcsék Brown-féle mozgását (diffúziós együtthatóját) határozza meg, majd a Stokes-Einstein egyenlet segítségével számítja ebből a szemcse hidrodinamikai átmérőjét. A kiértékeléshez ismerni kell a folyadék hőmérsékletét és viszkozitását.
Dinamikus fényszórás elvén alapuló szemcsemérés során lézernyalábbal világítják meg a mintát és egy adott irányba (legtöbb esetben a visszaszórás irányába) szórt fény intenzitását detektálják általában 30-120 s időtartamig. A szemcsék mozgása ingadozásokat (fluktuációkat) okoz a szórt fény intenzitásában. Ezekből a fluktuációkban meghatározható a diffúziós együttható, majd ebből a szemcsék mérete.
A dinamikus fényszóráson alapuló szemcseméret mérése 0,3 nm - 10 µm mérettartományt fed le. Ez nagy mértékben átfed a lézerfénydiffrakció módszer 10 nm - néhány milliméter közötti méréstartományával. A szemcseméret csökkenésével a dinamikus fényszórás előnyei egyre jobban előtérbe kerülnek a lézerfénydiffrakció módszeréhez képest. Nagyobb szemcsék esetében azonban a lézerfénydiffrakció kínál több előnyt.
A rendkívül kicsiny szemcsék ("nanoszemcsék") mérhetőségén túl a dinamikus fényszórás lehetővé teszi a minták mérését - néhány ppm - 40 vol % (mintától függően) közötti - nagyon széles koncentrációtartományban. A mérések végezhetők különböző mintaedényekben, sőt akár közvetlenül a mérendő mintába merítve is. Sok dinamikus fényszórás analizátor képes még zéta-potenciál meghatározására is.
Dinamikus fényszórás mérését sok iparág különböző alkalmazásában használják. A dinamikus fényszórás módszer mintái tipikus szemcsemérete kisebb mint 1 mikrométer. Ide tartoznak pigmentek, tinták, mikroemulziók, kerámiák, gyógyszerek, italok és élelmiszerek, kozmetikumok, fémek, ragasztók, polimerek, kolloidok, szerves makromolekulák és még sok minden egyéb...
A dinamikus fényszóráson alapuló szemcseanalízis és szemcseméret-eloszlás meghatározási módszert az ISO 22412 szabvány írja le. Gyakran dinamikus fényszórás analizátorral végrehajtott zéta-potenciál mérést pedig a ISO 13099 szabvány tartalmazza.
Különböző módokon mérhetik meg és értékelhetik ki a dinamikus fényszórással mért jelet. A szórt fény méréséhez referenciajelként a beeső fény egy részét felhasználó heterodyne (vagy reference-beating) detektálási módszer szolgáltatja a legjobb jel-zaj arányt. Az időben mért jelet Fourier-transzformációval frekvencia teljesítmény spektrummá alakítják. A szemcseméret ebből a teljesítményspektrumból nyerhető ki.
