تکنیک پراکندگی نور ایستا (SLS) چیست؟

اندازه ذرات و توزیع آن‎ها، به میزان زیادی متاثر از دانسیته، خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی مواد است. روش پراش لیزر روشی است که به صورت گسترده‎ای برای اندازه‎گیری ذرات مورد استفاده قرار می‎گیرد. اندازه گیری اندازه ذرات با استفاده از پرتونور لیزر به براساس دو دسته تصویری و غیرتصویری تقسیم‎بندی می‎شوند. به عنوان مثال پراکندگی نور پویا یا تکنیک DLS روش غیرتصویری بیان‎کننده برهمکنش بین نور و ذره است.

برهمکنش نور با ماده

در روش تعیین اندازه ذرات با  استفاده از پراش لیزر، منبع نوری تکفام استفاده می شود.
در برهمکنش نور و ذره امکان رویداد چهار پدیده پراش، جذب، انعکاس و انکسار وجود که مقدار هر یک از این پدیده‌ها به طول موج نور و ویژگی‎های اپتیکی ماده بستگی دارد.

پراکندگی نور

به طور کلی نور شامل میدان‎های الکتریکی و مغناطیسی است. در اثر برخورد نور با ماده، میدان الکتریکی نوسان‎کننده نور بر روی الکترون‎های ذره تأثیر می‎گذارد و ارتعاش الکترونی در ذره ایجاد می‎کند. این عامل سبب می‎شود نور از مسیر خود منحرف شود. پراکندگی به صورت مجموعی از پراش، انکسار و انعکاس تعریف می‎شود. در پراکندگی نور، جذب در نظر گرفته نمی‎شود زیرا با جذب، انرژی دوباره نشر نمی‎شود و تبدیل می‎شود.

انواع پراکندگی نور

با توجه به فرکانس نور پراکنده شده و نور برخوردی، روش‌هایی اندازه گیری که براساس پراکندگی نور می باشند به سه گروه الاستیک، شبه الاستیک و غیرالاستیک تقسیم‎بندی می‎شوند.
در حالت الاستیک، سیگنال پراکندگی شناسایی شده، براساس شدت نور متوسط – زمان می باشد و بنابراین انحراف فرکانس نور برخوردی اندازه‎گیری نمی‎شود. 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 غیرالاستیک، اختلاف فرکانس نور پراکنده شده و نور برخوردی بیش از چند صد هرتز است. در پراکندگی غیرالاستیک سیگنال‎های 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 مولکول‎ها و مایعات استفاده می‎شود.
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 ویژگی‎های شدت الگوی پراکندگی در زوایای مختلف حاصل می‎شود. در حالی که در روش پراکندگی نور دینامیکی، اندازه ذرات با استفاده از ارتباط بین متغیرهای شدت نور و حرکت براونی ذرات تعیین می‎شود .

اصول کلی پراکندگی نور

ابزارهای اندازه گیری ذرات  که براساس پراش نور عمل می‎کنند، سه فرض را به عنوان پیش فرض در نظر می گیرند:

1. ذراتی که نور را پراکنده می‎کنند، 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 می‎شود.به منظور توضیح پراکندگی نور از ذرات کروی، مدل‎های اپتیکی مورد نیاز هستند. راه حل پراکندگی نور توسط ذرات کروی با اندازه‎های مختلف بر اساس تقسیم‎بندی زیر است:

• زمانی که قطر ذره از طول موج برخوردی بسیار بزرگ‎تر باشد (d>>λ)؛ در این حالت از مدل Fraunhofer استفاده می‎شود.

• زمانی که قطر ذره قابل مقایسه با طول موج برخوردی باشد؛ از مدل Mie استفاده می‎شود.

• و اگر قطر ذره از طول موج برخوردی بسیار کوچک‎تر باشد (d<<λ)؛ در این حالت از مدل Rayliegh استفاده می‎شود .

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 بزرگ‎تر باشند. در عمل طول موج دستگاه‎ها 800-633 نانومتر است و بنابراین فقط برای ذرات بزرگ‎تر از 4/8 میکرومتر می‎توان از تقزیب Fraunhofer استفاده کرد. ذراتی که از این مقدار کوچک‌تر هستند با تئوری Mie آنالیز می‌شوند.

الگویی که توسط برخورد نور به ذرات و جمع شدن آن بر روی آشکارساز ایجاد می‌شود، تنها الگوی تفرق یا پراش نیست بلکه یک الگوی پیچیده پراکندگی است. متأسفانه آشکارسازی وجود ندارد که بین نور پراشیده شده و دیگر پدیده‎ها تمایز قائل شود. بنابراین نیاز است که دیگر پدیده‎های پراکندگی نیز برای به دست آوردن نتایج یک آنالیز دقیق به کار گرفته شوند. راه حل این مشکل استفاده از فرمول Mie برای آنالیز است. این فرمول، تمام پدیده‌هایی که در اثر برخورد نور به ذرات کروی اتفاق می‎افتد را در برمی‎گیرد.

با خارج شدن پارامترهای پیچیده از آن در نهایت سه پارامتر تأثیرگذار، 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، جمله اول پراکندگی Fraunhofer، جمله دوم پراکندگی Mie  و جمله سوم پراکندگی Rayliegh است. اگر اندازه ذرات خیلی بزرگ باشد قسمت دوم و سوم بسیار کوچک هستند و بنابراین می‎توان از آن‌ها صرفنظر کرد و اگر ذرات بسیار ریز باشند، ترم اول بسیار کوچک بوده و می‎توان آن را نادیده انگاشت.
در ذراتی که پراکندگی Fraunhofer را نشان می‎دهند، پراکندگی بسیار قوی به سمت جلو دارند و شدت نور پراکنده شده بسیار شدید است. ذرات کوچک‌تر که پراکندگی Mie را نشان می‎دهند، در این حالت پراکندگی به سمت جلو و شدت نیز کاهش می‎یابد. ذراتی که پراکندگی Rayliegh را نشان می‌دهند، الگوی پراکندگی بسیار متقارنی دارند. این ذرات اطلاعات زاویه‎ای ندارند و بنابراین ذراتی با ویژگی Rayliegh به وسیله لیزر مورد آنالیز قرار نمی‎گیرند

اگر اندازه ذرات بسیار بزرگ‎تر از طول موج نور باشد یا ماده به شدت جذب داشته باشد، ذرات مقداری از انرژی نور را به نسبت دو برابر سطح مقطع‎شان حذف می‎کنند. در این حال لبه ذرات تأثیر زیادی بر روی شدت پراکندگی می‎گذارند. یعنی پراش به وسیله خم شدن نور در اطراف ذرات است. در این موارد پراکندگی از قسمت داخلی ذره از اهمیت کمتری برخوردار بوده و نادیده گرفته می‎شود. برای ذرات بزرگ با توجه به تأثیر لبه‌ها، تعدادی معادلات پراش برای توضیح الگوی پراکندگی در نظر گرفته می‎شود. ذرات به جای یک ذره سه بعدی مانند یک شیئ دو بعدی رفتار می‎کنند و فقط سطحی که در برابر نور برخوردی است، اهمیت پیدا می‎کند. پراش یک اثر فیزیکی مهم در تمام پدیده‎های موجی است. دو گروه از پراکندگی با نام‎های Fraunhofer و Fresel وجود دارند. پراکندگی Fraunhofer زمانی است که منبع مورد استفاده شامل پرتوهای موازی (موج‎های صفحه‎ای کوهرنت) باشد. پراکندگی Fresel نیز در حالتی است که منبع نور مورد استفاده منبع نقطه‎ای باشد.
در مواردی که ذره بسیار بزرگ‎تر از طول موج نور و جسم مات باشد، تئوری Fraunhofer در نظر گرفته می‎شود.