Lāzerdifrakcijas spektroskopija

Lāzerdifrakcijas spektroskopija ir daļiņu lieluma mērīšanas metode, kas izmanto lāzera stara difrakcijas ainu, kura mainās atkarībā no mērāmās daļiņas izmēra. Ar šo metodi var noteikt izmērus mikro un nanolieluma objektiem.

Darbības princips

Lāzerdifrakcija

Lāzerdifrakcijas spektroskopija ir balstīta un Fraunhofera difrakcijas teoriju, kas postulē ka daļiņas izkliedētās gaismas intensitāte ir tieši proporcionāla daļiņas izmēram, un Lorenca-Mī teoriju, kas apraksta planāra elektromagnētiska viļņa izkliedi. Lāzera difrakcijas aina apraksta attiecību starp izmēru daļiņai uz kuru krīt vilnis, un izkliedētās gaismas leņķi un intensitāti.

Matemātiski nepolarizētas lāzera gaismas izkliedi pret sfērisku daļiņu apraksta, apskatot kopējo izkliedēto intensitāti I atkarībā no leņķa θ un to sasiaistot ar viļņa skaitli k, krītošā stara intensitāti I0, distances no pētāmā objekta līdz detektoram a, un bezdimensiju funkcijām S1(θ) un S2(θ) kas apraksta amplitūdas izmaiņas polarizētai gaismai.

$I(\theta )=I{\scriptstyle {\text{0}}}/2k^{2}a^{2}\{{\bigl [}S_{1}(\theta )]^{2}+[S_{2}(\theta )]^{2}\}$

Lāzerdifrakcijas spektroskopijas mērījuma laikā sensorā uztver I(θ) un šo funkciju saista ar to daļiņu izmēriem, no kuras tiek atstarots krītošais lāzera stars.

Mērījumi

Mērījums sastāv no divām daļām — vispirms tiek izmērīts izkliedētās gaismas leņķis un tās intensitāte, tad, izmantojot algoritmus kas izmanto Fraunhofera vai Mī izkliedi, dati tiek pārveidoti tā lai varētu nolasīt daļiņu izmēru un sadalījumu.

Lāzeradifrakcijas spektroskopijā kā gaismas avotu lieto He-Ne lāzeri, kas ir gāzes lāzeris ar viļņa garumu 632.8 nm. He-Ne lāzeris sastāv no lāzerlampas, augstsprieguma barošanas avota un atbalsta konstrukcijas. Alternatīvi tiek lietots LED lāzeris, kam ir īsāks viļņa garums nekā He-Ne lāzerim. Dažās iekārtās izmanto abus lāzerus, lai uzlabotu mērījuma precizitāti.

Lāzera stars tiek laists cauri daļiņu plūsmai, kur tam sastopoties ar mērāmajām daļiņām notiek gaismas viļņu difrakcija. Atkarībā no daļiņu izmēra, sensorā tiks uztverta tam raksturīga intensitātes funkcija. Svarīgi, ka detektors uztver signālu ko rada visas plūsmā esošās daļiņas, nevis tikai viena daļiņa.

Trūkumi

• Lāzerspektroskopijas iekārtas testē un kalibrē izmantojot labi atstarojošas daļiņas ar stingri noteiktu izmēru, piemēram zelta lodītes. Tas var radīt problēmas mērot daļiņas, kas ir caurspīdīgas vai mazāk atstaro gaismu, tādēļ šāda veida daļiņām signāla-trokšņa attiecība var ierobežot daļiņu mērīšanas iespējas.
• Izmantojot Fraunhofera teoriju datu apstrādei, tiek pieņemts ka izmērītais daļiņas diametrs ir pielīdzināms sfēras diametram. Imantojot Mī izkliedi, pieņem ka diametrs ir pielīdzināms sfērai ar tādu pašu tilpumu kā nomērītajai daļiņai. Tā rezultātā tiek zaudēta informācija par mērītās daļiņas patieso formu.

Pielietojumi

Lāzerdifrakcijas spektroskopiju lieto, lai mērītu daļiņu izmērus šādos pielietojumos:

• Augsnes pētīšanai — analizējot augsnes un nogulšņu, piemēram māla, daļiņu izmērus, iespējams noteikt kā tā ir veidojusies.
• Pulveru izmēru noteikšanai — lāzerdifrakcijas iekārtas ir spējīgas nomērīt līdz pat 10 nm lielas daļiņas, ko izmanto dažādu organisko, neorganisko un metālu pigmentu un pulveru izmēru kontrolēšanai.
• Ķīmisko savienojumu kvalitātes kontrole — izmanto industrijā, lai nodrošinātu ka reaģents ir sasmalcināts līdz nepieciešamajam izmēram un tajā nav piemaisījumu.
• Zāļu izgatavošanas kontrole — ražošanas procesā izmantojot lāzerdifrakcijas mērījumus, iespējams kontrolētu un novērst aglomerātu veidošanos zāļu tablešu veidošanās procesā. Aglomerāti negatīvi ietekmē zāļu aktīvās vielas darbību un tās šķīdību.
• Pārklājumu biezuma mērīšanā — farmācijā zāļu aktīvās vielas izdalīšanās ātrums ir apgriezti proporcionāls vielas slāņa biezumam, un tieši proporcionāls vielas daļiņas virsmas laukumam. Izmantojot lāzerdifrakcijas analīzi, precīzi nosaka aktīvās saražotās vielas pārklājuma biezumu un laukumu, tādējādi nodrošinot ka no vielas saražotās zāles būs efektīvas.