پراکندگی نورپویا (DLS) چیست؟

پراکندگی نورپویا (DLS) باید بدانیم که اندازه ذرات شاخصی با ارزش از نظر کیفیت و عملکرد است و بر بسیاری از خواص مواد تأثیر میگذارد.پراکندگی نورپویا (DLS) یک تکنیک اندازه گیری نوری برای توصیف سیستمهای نانو ذرات است. این روش یکی از عمومی ترین روشها برای تعیین توزیع اندازه ذرات است. برای تعیین اندازه ذرات از حرکت براونی ذرات در مایعات استفاده میشود. هنگام برخورد نور تکفام به ذرات در حال حرکت، براساس نوع پراکندگی، طول موج یا شدت نور ورودی تغییر میکند که این تغییر به اندازه ذره مربوط می شود.تکنیک پراکندگی نورپویا (DLS) یک روش طیف سنجی به صورت غیر مستقیم می باشد که اندازه گیری در مقیاس نانو و زیرمیکرو را انجام می دهد و علاوه بر این یک ً فناوری غیر تهاجمی، سریع، آسان، دقیق، قابل اعتماد و نسبتا ارزان است که نیاز به نمونه بسیار کم و هزینه کم تعمیر و نگهداری دارد. هر چند تکنیک پراکندگی نورپویا (DLS) دارای محدودیت هایی نیز می باشد از جمله: تغییرات در نتایج به دلیل تغییر دما و ویسکوزیته؛ نیاز به آماده سازی نمونه؛ نیاز به اطلاع از ضریب شکست نسبی و همچنین اینکه ذرات باید به صورت پراکنده در مایعات باشند که در این صورت به دلیل اثر متقابل فیزیکی و شیمیایی ذرات با مایع، یافتن مایع مناسب مشکل خواهد بود. اما تکنیک به دلیل نتایج قابل اعتمادی که ارائه میدهد، در آزمایشگاه های دانشگاه ها و مراکز صنعتی از محبوبیت زیادی برخوردار است. کاربرد این تکنیک در زمینه های نانومواد، فیزیک، شیمی، زیستشناسی، پزشکی و مکانیک سیاالت به سرعت در حال گسترش است.

اساس پراکندگی نور پویا  :

پراکندگی نور پویا (DLS) بر مبنای اندازه گیری تفکیک زمانی نور همدوس پراکنده شده توسط ذرات مانند مولکول های بزرگ یا ذرات ریز در نمونه است هنگامی که نور به ماده برخورد می کند، میدان الکتریکی نور سبب القای قطبش نوسانی الکترون ها در مولکول ها می شود. مولکولها بعنوان منبع ثانویه ً نور و متعاقبا تابش نور(پراکندگی) عمل میکنند. تغییرات فرکانس، توزیع زاویه ای، قطبش و شدت پراکندگی توسط اندازه، شکل و برهمکنش های مولکولی در ماده پراکنده شده تعیین می شوند. بنابراین با استفاده از ویژگی های پراکندگی نور یک سیستم و با کمک نظریه مکانیک آماری وابسته به زمان، میتوان اطلاعاتی در مورد ساختار و پویایی مولکولی محیط پراکندگی بدست آورد.هنگامی که ذرات میکروسکوپی درون یک حالل پراکنده می شوند، به دلیل برخورد این ذرات با اتم ها یا مولکول های حالل، حرکت تصادفی خواهند داشت که این حرکت را حرکت براونی می نامند. ذرات کوچکتر سریعتر حرکت کرده و مسافت های طولانی تری را طی می کنند؛ در حالی که ذرات بزرگتر کندتر حرکت کرده و مسافت های کمتری را طی می کنند. ذرات درون نمونه دارای حرکت براونی هستند که به وسیله پرتو لیزری تک فرکانس برانگیخته میشوند. براساس نوع پدیده پراکندگی طول موج و شدت نور ورودی پس از برخورد به ذرات نور پراکنده شده لیزر توسط ذرات کوچک و بزرگ با وضوح بالا اندازه گیری می شود. در تصویر فوق سیگنال نوسانی حاصل از پراکندگی نور لیزر به وسیله ذرات بزرگ و کوچک نشان داده شده است.

نظریه پراکندگی رایلی و پراکندگی مای:   

خصوصیات پراکندگی نور به نسبت اندازه ذره به طول موج نور ورودی بستگی دارد. برای بررسی نظری پراکندگی نور از ذرات ریز از پارامتر معیار اندازه استفاده می نماییم.

رایلی در سال 1871 میلادی نظریه خود مبنی بر پراکندگی نور خورشید توسط مولکول های گازی موجود در جو را مطرح و بدین وسیله رنگ آسمان را توصیف کرد. به طور کلی تر، پراکندگی رایلی پراکندگی الاستیک نور توسط ذرات بسیار کوچکتر از طول موج نور تابشی را توصیف می کند. پراکندگی رایلی از قطبش پذیری الکتریکی ذرات حاصل می شود. هنگامی که چنین ذره کوچکی در معرض امواج الکترومغناطیسی قرار می گیرند، میدان الکتریکی نوسان کننده یک موج نوری بر روی بارهای درون یک ذره اثر می گذارد و باعث قطبی شدن ذرات می شوند، به گونه ای که بارهای منفی از هسته مثبت فاصله بگیرند. در نتیجه جدا شدن بار، ذره دوقطبی لحظه ای، حاصل می شود.سپس ذره در اثر بار شتابدار تابش می کند. دو قطبی نوسان کننده یک میدان الکتریکی نوسان کننده تولید میکند، که متناسب با مربع فرکانس نوسان است.

از آنجا که شدت، یعنی توان ناحیه ساطع شده، متناسب با مربع دامنه میدان E است، سطح مقطع حاصل از پراکندگی رایلی به ً طول موج بستگی دارد و تقریبا با توان چهارم طول موج رابطه عکس دارد.بنابراین میزان پراکندگی به طور معکوس با توان چهارم طول موج متناسب است.

اگر اندازه ذرات در حدود یا کمی بزرگتر از طول موج نور فرودی باشند، نمیتوان از تقریب رایلی استفاده نمود. برای ذرات بزرگتر نسبت به طول موج نور، مای با توصیف معادلات ماکسول برای شرایط مرزی تعریف شده نظریه ای را برای مطالعه پراکندگی نور از ذرات، با توجه به شکل ذرات و تفاوت در ضریب شکست بین ذرات و محیطی که در آنها پراکنده می شوند، مطرح کرد. ذرات بزرگ در مقایسه با ذرات کوچک نور را در زاویه های کوچکتر نسبت به پرتو فرودی پراکنده می کنند.در نظریه مای، کاربر نیاز به دانستن ضریب شکست ذره و محیط یا همان ضریب شکست نسبی دارد. شدت نور پراکنده شده از ذرات، تابعی از طول موج نور، زاویه پراکندگی، اندازه ذره، و ضریب شکست نسبی ذره و محیط است. به عبارت دیگر در الگوی پراکندگی، شدت نورهای پراکنده شده در زوایای مختلف تابع اندازه، شکل و خصوصیات نوری ذره است.

برای استفاده از نظریه مای، شرایطی وجود دارد، که این شرایط بدین شرح است:

• نور برخوردی به ذرات برای تعیین اندازه آنها، باید تکفام باشد. به عبارتی، تمام اشعه های نور برخوردی باید یک طول موج و یک فرکانس داشته باشند. ذره باید کروی باشد، چون شکل ذره بر الگوی پراکندگی اثرگذار است.
• ذرات باید همسان باشند، اگر ذره غیر همسان باشد خصوصیات نوری آن در جهات مختلف متفاوت خواهد بود.
•  نور برخوردی باید به صورت امواج صفحه ای و تخت باشد.
•  هم پراکندگی و هم جذب باید در نظر گرفته شوند.
• ضریب شکست محیط و ذره باید شناخته شده باشد
• و بالاخره مجموعه باید همگن باشد، زیرا ناهمگنی روی الگوی پراکندگی اثر دارد.

برخی از این شرایط جزء شرایط اصلی نظریه مای هستند ولی برخی دیگر برای ساده سازی مسئله و تعیین اندازه به کار گرفته می شوند. منظور از الگوی پراکندگی، همان تغییرات شدت نور پراکنده شده بر حسب زاویه پراکندگی، پس از برهم کنش نور با ذره است و زاویه پراکندگی، زاویهای است که پرتو نور پراکنده شده با امتداد پرتو نور فرودی می سازد. بنابراین مجموعهای از ذرات، یک الگوی نور پراکنده شده را تولید می کنند که توسط شدت و زاویه تعریف می شود و میتواند تبدیل به توزیع اندازه ذرات شود. دامنه نور پراکنده شده در زوایای مختلف (الگروی پراکندگی) نه تنها به غلظت و اندازه ذرات وابسته است، بلکه به نسبت ضرایب شکست ذرات، به محیطی که ذرات در آن قرار دارند نیز بستگی دارد و نسبت به تغییرات کوچک در اندازه یا مقادیر ضریب شکست، بسیار حساس است.

ذرات درون محیط پراکندگی کلوئیدی نور ورودی لیزر را پراکنده می کنند و شدت نور پراکنده در DLS توسط آشکارسازی مشخص می شود. ذرات به طور پیوسته حرکت می کنند و در الگوی پراکندگی باعث ایجاد تداخل های سازنده و مخرب می شوند ، شدت نور پراکنده در طول زمان در نوسان است.تداخل حاصل از پرتوهای نوری پراکنده از ذرات مختلف باعث ایجاد امواج تداخل می شود. شدت این امواج تداخل به وسیله آشکارساز اندازه گیری می شوند. بنابراین، شدت نوری که توسط آشکارساز تشخیص داده می شود با گذشت زمان در نوسان است. این سیگنال برای تعیین فرکانس در مقابل توزیع شدت، تبدیل فوریه شده و براساس آن توزیع اندازه ذرات قابل محاسبه است. تبدیل فوریه یک عمل ریاضی است که می تواند شدت نسبی هر فرکانس موجود در سیگنال امواج تداخل را تعیین نماید. سیگنال نوری بدست آمده به دلیل تغییر موقعیت نسبی ذرات، تغییرات تصادفی را نشان می دهد. این مسئله به صورت طرح وار در شکل زیر نشان داده شده است.

یکی از دستگاه های قابل عرضه در شرکت آریافن ورزان دستگاه DLS ساخت شرکت ژاپنی Horiba می باشد.