آنالیز پراکندگی نور دینامیکی | تفرق نور پویا

اندازه و توزیع اندازه ذرات از مهم‌ترین پارامترها در بررسی نانوذرات، پروتئین‌ها، پلیمرها و ذرات کلوئیدی به شمار می‌روند. در بسیاری از این سیستم‌ها، حتی تغییرات جزئی در اندازه ذرات می‌تواند بر پایداری، عملکرد، ویژگی‌های فیزیکی و در نهایت کیفیت محصول تاثیر بگذارد. به همین دلیل، استفاده از روش‌های دقیق برای اندازه‌گیری اندازه ذرات اهمیت زیادی دارد.

تفرق نور پویا (Dynamic Light Scattering یا DLS) یکی از روش‌های پرکاربرد و غیر تهاجمی برای اندازه ‌گیری سایز ذرات و توزیع اندازه آن‌ها در محدوده نانومتری است. این روش با بررسی تغییرات شدت نور پراکنده‌ شده از ذراتی که در یک محیط مایع در حال حرکت هستند، اطلاعاتی درباره قطر هیدرودینامیکی ذرات ارائه می‌دهد. با پیشرفت فناوری  اصول تفرق نور پویا، تنها اندازه ذرات موضوع اندازه‌گیری نیست؛ بلکه عواملی مانند زاویه آشکار سازی نور، غلظت نمونه، شدت پراکندگی و محل فوکوس پرتو لیزر نیز نقش مهمی در کیفیت نتایج دارند.  در این مقاله، اصول DLS، نحوه عملکرد آن و اهمیت انتخاب زاویه مناسب برای اندازه‌گیری نمونه‌های مختلف بررسی می‌شود. همچنین در مورد دستگاه DLS ساخت کمپانی Anton Paar به عنوان انتخابی مناسب برای این آنالیز نیز صحبت خواهیم کرد.

DLS چگونه کار می‌کند؟

در روش DLS، یک لیزر به نمونه حاوی ذرات معلق تابانده می‌شود. ذرات موجود در سوسپانسیون تحت تاثیر برخوردهای تصادفی مولکول‌های حلال، به‌طور پیوسته حرکت می‌کنند. این حرکت تصادفی که با نام حرکت براونی شناخته می‌شود، باعث تغییرات بسیار سریع در شدت نور پراکنده ‌شده از نمونه می‌شود.

نور پراکنده ‌شده از ذرات متحرک می‌تواند با یکدیگر تداخل سازنده یا مخرب داشته باشد. در نتیجه، الگوی شدت نور ثبت ‌شده در دتکتور به ‌مرور زمان تغییر می‌کند. DLS نرخ این نوسانات را اندازه‌گیری می‌کند و از طریق آن، سرعت نفوذ ذرات در محیط را به دست می‌آورد. در واقع، DLS  مستقیما اندازه ذرات را مشاهده نمی‌کند، بلکه میزان تغییرات نور پراکنده ‌شده را اندازه‌گیری می‌کند. سرعت این تغییرات به سرعت حرکت ذرات مرتبط است؛ یعنی ذرات کوچک‌تر سریع‌تر حرکت و نفوذ می‌کنند، ذرات بزرگ‌تر حرکت کندتر و نفوذ کمتری دارند و هرچه حرکت ذرات سریع‌تر باشد، شدت نور پراکنده‌ شده نیز سریع‌تر تغییر می‌کند.

چرا زاویه آشکار سازی در این روش اهمیت دارد؟

نور پس از برخورد با ذرات در همه جهت‌ها پراکنده می‌شود، اما همه زوایا الزاما برای هر نمونه مناسب نیستند. بسیاری از دستگاه‌های DLS ، نور پراکنده‌شده را عمدتا در زاویه 90 یا 175 درجه اندازه‌گیری می‌کنند. با این حال، سیستم‌های پیشرفته ‌تر می‌توانند اندازه‌گیری را در چند زاویه انجام دهند. اهمیت این موضوع به یکی از فرض‌های اصلی DLS بازمی‌گردد: نور باید طوری از نمونه عبور کند که هر فوتون پیش از رسیدن به آشکارساز، فقط یک‌بار پراکنده شود. اگر نور توسط چند ذره به‌طور متوالی پراکنده شود، پدیده‌ای به نام پراکندگی چندگانه رخ می‌دهد. در این شرایط، ارتباط میان نوسانات شدت نور و اندازه واقعی ذرات کاهش می‌یابد و نتیجه اندازه‌گیری ممکن است دقت کافی را نداشته باشد. انتخاب زاویه آشکارسازی مناسب به کاهش این اثر و بهینه‌ سازی کیفیت داده‌ها کمک می‌کند.

انواع زوایای مورد استفاده در این آزمون

سه زاویه اصلی که در سیستم‌های آنالیز پراکندگی نور دینامیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. forward scatter ،Side scatter و back scatter این زوایا هستند. اکنون هرکدام از آنها را با هم بررسی می‌کنیم.

• back scatter؛ زاویه 175 درجه

در این پراکندگی، نور در جهتی نزدیک به مسیر بازگشت پرتو لیزر اندازه ‌گیری می‌شود و معمولا زاویه 175 درجه برای این منظور به کار می‌رود. این حالت به‌ ویژه برای نمونه‌هایی با غلظت نسبتا بالا یا پراکندگی شدید مفید است. یکی از چالش‌های اندازه‌گیری DLS  در نمونه‌های غلیظ، پدیده پراکندگی چندگانه (Multiple Scattering) است. در back scatter ، مسیر طی‌شده نور در حجم نمونه کوتاه‌تر است؛ بنابراین احتمال برخورد فوتون با ذرات متعدد کاهش پیدا می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود این نوع ‌پراکندگی برای نمونه‌های با غلظت بالا گزینه مناسبی باشد.

• Side scatter؛ زاویه 90 درجه

در این پراکندگی، نور در زاویه 90 درجه نسبت به مسیر پرتو لیزر اندازه‌گیری می‌شود. این زاویه به ‌ویژه برای نمونه‌هایی مناسب است که پراکندگی ضعیفی دارند یا شامل ذرات کوچک هستند. در اندازه‌گیری با back scatter، برخورد لیزر با دیواره کووت می‌تواند موجب ایجاد Flare یا نور مزاحم شود. در نمونه‌های دارای ذرات کوچک و سیگنال پراکندگی ضعیف، این نور مزاحم ممکن است بر سیگنال واقعی نمونه غلبه کند. اندازه ‌گیری در زاویه 90 درجه این مشکل را کاهش می‌دهد و می‌تواند نسبت سیگنال به نویز بهتری فراهم کند. به همین دلیل، این نوع پراکندگی اغلب برای بررسی ذرات کوچک و نمونه‌های با پراکندگی ضعیف انتخاب مناسبی است.

• forward scatter؛ زاویه 15 درجه

در  این پراکندگی نور در زاویه‌ای کوچک و تقریبا در همان جهت پرتو لیزر اندازه گیری می‌شود. این حالت برای نمونه‌هایی که ترکیبی از تعداد زیادی ذرات کوچک و تعداد کمی ذرات بزرگ‌تر یا تجمع‌یافته دارند، می‌تواند مفید باشد. ذرات بزرگ‌تر نور بیشتری پراکنده می‌کنند و ممکن است سیگنال حاصل از آن‌ها بر ذرات کوچک‌ تر غلبه کند. انتخاب زاویه 15 درجه می‌تواند امکان اندازه‌گیری مناسب ‌تری را فراهم کند تا هم ذرات کوچک با پراکندگی کمتر و هم تعداد محدود ذرات بزرگ‌تر با پراکندگی شدیدتر قابل شناسایی باشند.

چگونه می‌توان پراکندگی چندگانه را کنترل کرد؟

انتخاب زاویه مناسب یکی از راهکارهای مقابله با پراکندگی چندگانه است. برای نمونه‌های با غلظت بالا، استفاده از  back scatter باعث کوتاه‌تر شدن مسیر نور در نمونه و کاهش احتمال پراکندگی چندگانه می‌شود. علاوه بر زاویه آشکارسازی، در برخی دستگاه‌های پیشرفته می‌توان موقعیت فوکوس لیزر را نیز تغییر داد. برای نمونه‌های با غلظت و پراکندگی بالا، نزدیک کردن محل فوکوس به دیواره داخلی کووت که به لیزر نزدیک ‌تر است، می‌تواند مسیر نور در نمونه را کوتاه‌تر کرده و احتمال پراکندگی چندگانه را کاهش دهد.

نقش Transmittance در انتخاب شرایط اندازه‌گیری

برخی سیستم‌های پیشرفته در این آنالیز علاوه بر اندازه‌گیری نور پراکنده، می‌توانند  Transmittance(میزان عبور نور از نمونه) را نیز بررسی کنند. این قابلیت به دستگاه اجازه می‌دهد ویژگی‌های نمونه را قبل از اندازه ‌گیری ارزیابی کرده و بر اساس آن، زاویه مناسب برای اندازه‌گیری را انتخاب کند. در نتیجه، کاربر مجبور نیست برای هر نمونه به‌صورت دستی بهترین زاویه را تعیین کند. در مقابل، برخی سیستم‌ها امکان اندازه‌گیری در چندین زاویه را در اختیار کاربر قرار می‌دهند. این قابلیت برای آزمایشگاه‌هایی که با طیف متنوعی از نمونه‌ها سروکار دارند، اهمیت بالایی دارد؛ زیرا می‌توان شرایط اندازه‌گیری را متناسب با ویژگی‌های هر نمونه تنظیم کرد.

کاربردهای DLS در صنایع مختلف

این آنالیز  تنها یک روش اندازه‌گیری سایز ذرات نیست؛ بلکه ابزاری ارزشمند برای بررسی پایداری، تجمع، توزیع اندازه و رفتار سیستم‌های کلوئیدی محسوب می‌شود. از جمله کاربردهای این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• صنایع دارویی و زیست ‌فناوری

در توسعه سامانه‌های دارورسانی مبتنی بر نانو ذرات، تعیین این ویژگی برای اثر بخشی و پایداری فرمولاسیون اهمیت دارد. همچنین DLS برای بررسی اندازه پروتئین‌ها، وزیکول‌ها و توسعه فرمولاسیون استفاده می‌شود.

• صنایع آرایشی و بهداشتی

در فرمولاسیون کرم‌ها، لوسیون‌ها و امولسیون‌ها، اندازه و پایداری ذرات کلوئیدی نقش مهمی در کیفیت محصول دارد. این آزمون می‌تواند برای بررسی پایداری نانوذرات در فرمولاسیون‌های ضدآفتاب و بررسی ماندگاری محصول به کار رود.

• صنایع غذایی و نوشیدنی

بررسی سایز ذرات در امولسیون‌های غذایی، بر بافت، پایداری و ویژگی‌های حسی محصول اثر می‌گذارد. این تست برای بررسی پایداری سوسپانسیون‌های کلوئیدی در نوشیدنی‌ها و ارزیابی شفافیت و عمر نگهداری آن‌ها کاربرد دارد.

• علم مواد و نانو فناوری

در توسعه مواد پیشرفته، این آزمون برای اندازه‌گیری و بررسی نانوذرات استفاده می‌شود. این روش در بررسی پایداری و تجمع نانوذرات در پوشش‌ها و کامپوزیت‌ها نیز اهمیت دارد؛ عواملی که می‌توانند بر خواصی مانند استحکام مکانیکی و شفافیت نوری ماده اثرگذار باشند.

• بررسی ‌های زیست‌ محیطی

بررسی توزیع اندازه و رفتار تجمعی نانوذرات در نمونه‌های محیطی به ارزیابی اثرات احتمالی آن‌ها بر اکوسیستم و سلامت انسان کمک می‌کند. همچنین این تست می‌تواند برای مطالعه رفتار نانو ذرات مهندسی ‌شده در فرایندهای تصفیه فاضلاب و آنالیز اندازه لخته ‌ها و ذرات ریز به کار رود.

دستگاه DLS برند آنتون پار

دستگاه مناسب برای این آزمون

برای انجام دقیق و قابل‌اعتماد آزمون پراکندگی نور دینامیکی، انتخاب دستگاهی با قابلیت ‌های متناسب با نوع نمونه اهمیت زیادی دارد. سری Litesizer DLS  شرکت Anton Paar با بهره‌گیری از فناوری  DLS، امکان اندازه‌گیری اندازه و توزیع اندازه ذرات در مقیاس نانو را فراهم می‌کند و با پشتیبانی از سه زاویه اندازه‌گیری  15 درجه، 90 درجه و 175 درجه، برای طیف گسترده‌ای از نمونه‌ها مناسب است. قابلیت انتخاب خودکار زاویه مناسب، اندازه‌گیری چند زاویه‌ای، بررسی لحظه‌ای رفتار نمونه و امکان کار با حجم نمونه بسیار کم، این دستگاه را به گزینه‌ای مناسب برای آنالیز دقیق و قابل‌اعتماد ذرات تبدیل کرده است.

جمع ‌بندی

تحلیل تفرق نور پویا، روشی سریع، غیرتهاجمی و موثر برای اندازه‌گیری اندازه ذرات و مولکول‌ها است. با این حال، کیفیت داده‌های DLS فقط به خود تکنیک وابسته نیست؛ زاویه آشکارسازی، غلظت نمونه، شدت پراکندگی و موقعیت فوکوس لیزر نیز نقشی تعیین‌کننده دارند. برای بررسی نمونه‌های مختلف از زاویه متفاوتی استفاده می‌شود. بنابراین اندازه‌گیری در زاویه 175 درجه برای نمونه‌های غلیظ و با پراکندگی بالا، زاویه 90 درجه برای ذرات کوچک و نمونه‌های با پراکندگی کم، و زاویه 15 درجه برای نمونه‌های دارای ترکیبی از ذرات کوچک و ذرات بزرگ یا تجمع ‌یافته، کاریرد دارند.

سیستم‌هایی که امکان تحلیل چند زاویه‌ای، ارزیابی Transmittance   و تنظیم شرایط اندازه‌گیری را فراهم می‌کنند، می‌توانند دامنه وسیع‌تری از نمونه‌ها را با دقت و اطمینان بیشتری بررسی کنند. دستگاه Litesizer DLS از Anton Paar بهترین و مناسب ترین انتخاب برای این منظور است که با بررسی دقیق، امکان اندازه‌گیری اندازه و توزیع اندازه ذرات در مقیاس نانو را فراهم می‌کند.