Statický rozptyl laserového svetla

Statický laserový rozptyl svetla je zavedená a presná meracia technika pre charakterizáciu veľkosti časti suchých a mokrých vzoriek. Spoločnosť Microtrac je celosvetový lídrem v tejto technológii s viac ako 40 rokmi skúseností s vývojom a výrobou analyzátorov časti.

Statický rozptyl svetla je jav, ku ktorému dochádza pri interakcii svetla s časticami. Vytvára charakteristické uhlovo závislé obrazce, v ktorých je svetlo prednostne rozptyľované časticami v určitých smeroch. Uhol a intenzita rozptylu závisí na veľkosti príslušných častíc.

Preto možno statický rozptyl svetla použiť na meranie rozdelenia veľkostí častíc, keď je súbor častíc osvetlený laserovým lúčom a výsledný vzor rozptylu svetla je zaznamenaný v širokom uhlovom rozsahu.

Nasleduje stručný úvod do fyziky statického rozptylu svetla a jeho využitie v analyzátoroch veľkosti častíc

Statický rozptyl laserového svetla - SYNC

Spoločnosť Microtrac ponúka rad analyzátorov založených na statickom rozptylu svetla.

Prehľad produktov Kontaktujte nás!

Fraunhoferovho a mieova teórie v statickom rozptylu svetla

Charakteristické obrazce rozptylu svetla, ktoré vznikajú pri interakcii lasera s časticami, sú spôsobené difrakcie, lomom, odrazom a absorpciou (ako je znázornené na obrázku).

U veľkých častíc je dominantným mechanizmom difrakcie, ku ktorej dochádza na obrysoch častíc. To dostatočne opisuje takzvaná Fraunhoferovho teórie. "Veľké častice" v tomto kontexte znamenajú "výrazne väčší ako vlnová dĺžka svetla".

Pre popis a vyhodnotenie obrazcov rozptýleného svetla menších častíc je potrebné vziať do úvahy optické vlastnosti, v podstate index lomu. To opisuje Mieho teorie, ktorá však zahŕňa aj difrakciu, a umožňuje tak komplexné vyhodnotenie javov rozptylu svetla.

Pre indexy lomu takmer všetkých pevných látok sú k dispozícii literárne hodnoty, takže Mieho teórii možno veľmi spoľahlivo použiť pre statický rozptyl svetla. Statický rozptyl svetla sa často označuje ak laserová difrákcia alebo laserová difraktometrie, a to aj nezávisle na veľkosti uvažovaných častíc a javoch, ktoré sa pri tom vyskytujú.

Statický laserový rozptyl svetla - Obrázok 1

Pri interakcii svetla s časticami môže dochádzať k difrakciu, lomu, absorpciu a odrazu.

Popis vzorcov statického rozptylu svetla

Na obrázku sú znázornené vzory rozptylu svetla suspenzií s časticami o veľkosti 1 mikrometrov a 10 mikrometrov.

U častíc s veľkosťou 10 mikrometrov vykazuje vzor rozptýleného svetla charakteristickú kruhovú štruktúru, ktorú možno vysvetliť predovšetkým difrakciou. U väčších častíc by boli difrakčné uhly menšie a prstence by boli bližšie stredu. Okrem toho by sa zvýšila intenzita difrakčných maxím.

U častíc s veľkosťou 1 mikrometrov už tieto difrakčné prstenca nie sú pozorované. Vzor rozptylu svetla je skôr difúzny, ale viac svetla je rozptýlené smerom dopredu ako do strán alebo dozadu. S klesajúcou veľkosťou častíc klesá celková intenzita rozptýleného svetla a menej svetla je rozptýlené smerom dopredu a viac do strán. Aby bolo možné stále vyhodnocovať slabé signály z veľmi malých častíc, vykonáva sa meranie rozptýleného svetla s kratšími vlnovými dĺžkami, ktoré všeobecne poskytujú silnejšie signály.

Na obrázku sú znázornené i vzory rozptylu svetla zo zmesi častíc veľkosti 1 mikrometrov a 10 mikrometrov, pričom vzory rozptylu oboch veľkosťou sa prekrývajú. Skutočné vzorky zvyčajne obsahujú mnoho častíc rôznych veľkostí, ktoré sa podieľajú na celkovom rozptylu svetla. To je potrebné pri vyhodnocovaní a výpočte distribúcie veľkosti častíc zodpovedajúcim spôsobom zohľadniť.

Statický laserový rozptyl svetla - Obrázok 2

Statický laserový rozptyl svetla - Obrázok 2b

Statický laserový rozptyl svetla - Obrázok 2c

Vzorka rozptýleného svetla častíc veľkosti 10 mikrometrov (vľavo), častíc o veľkosti 1 mm (uprostred) a zmesi častíc veľkosti 10 mikrometrov a 1 mikrometrov (vpravo). Na osvetlenie bolo použité komerčne dostupné laserové ukazovadlo.

Meracie prístroje pre statický rozptyl laserového svetla

Prístrojové prevedenie statického rozptylu svetla v meracom zariadení je znázornené na obrázku. Pri meraní častíc analyzátorom Microtrac preniká laserový lúč do rozptýlené vzorky, ktorým môže byť suspenzia, emulzia alebo prášok v prúde vzduchu.

Pretože intenzita rozptýleného svetla poskytuje informácie o distribúcii veľkosti, meria technológie Microtrac toto rozptýlené svetlo pod rôznymi uhlami až do 163°. Detektor v osi smerom dopredu meria niekedy veľmi malé uhly difrakcie, ktoré vytvárajú veľké častice. Vysoké uhly pokrýva detektor mimo os.

Použitím troch laserov, ktoré dopadajú na vzorku pod rôznymi uhlami, sa pokryje obzvlášť široký rozsah uhlov rozptylu. Dáta sú počas merania nepretržite zaznamenávať, analyzovaná a vyhodnocovaná podľa Fraunhofer alebo Mie. Algoritmus "Modified Mie" spoločnosti Microtrac pre statický rozptyl laserového svetla vypočítava presné rozdelenie veľkosti častíc aj pre (polo) priehľadné, netransparentné, guľaté a neguľaté častice..

Statický laserový rozptyl svetla - Obrázok 3

Nastavenie analyzátora častíc Microtrac SYNC pre analýzu statického rozptylu svetla s dvoma detektorovými sústavami a tromi zdrojmi laserového svetla.

Microtrac MRB Produkty & Kontakt

Spoločnosť Microtrac ponúka rad analyzátorov založených na statickom rozptylu svetla.

Prehľad produktov

Náš tím odborníkov Vám rád poradí s vašou aplikáciou pre našu radu produktov.

Kontaktujte nás pre bezplatnú konzultáciu

Statický rozptyl laserového svetla - FAQ

Prečo sa metóda nazýva "Statický rozptyl svetla"?

Pri statickom rozptylu svetla sa pozorovaný obrazec v priebehu času nemení. Termín "statický" sa preto vzťahuje na meracie signál. Častice, ktoré generujú vzor rozptýleného svetla, sa v priebehu analýzy pohybujú meracie bunkou, takže nie sú statické. Ak je však materiál vzorky dobre premiešaný a homogénne, je rozloženie veľkosti v skúmanom objeme do značnej miery konštantný a rovnako tak aj vzor rozptylu.

Aký je rozdiel medzi statickým a dynamickým rozptylom svetla?

Pri statickom rozptylu svetla sa zaznamenáva a vyhodnocuje uhlovo závislý svetelný obrazec. Pri dynamickom rozptylu svetla sa meria kolísanie intenzity rozptýleného svetla za dlhší časový úsek pri jednom uhle rozptylu. Z oboch týchto metód možno určiť veľkosť častíc rozptyľujúcich svetlo, pričom dynamická metóda je vhodná najmä pre nanočastice a statický rozptyl svetla je možné flexibilne použiť pre široký rozsah veľkostí.

Platí Fraunhoferovho aproximácie pre statický rozptyl svetla?

Fraunhoferovho aproximácie zohľadňuje iba difrakciu, ale je prípustná pre vyhodnotenie rozdelenie veľkosti častíc, ak sú tieto častice výrazne väčší ako vlnová dĺžka dopadajúceho laserového svetla. V súvisiacej norme ISO 13320 pre statický rozptyl svetla je ako dolná medza stanovené 50 mikrometrov, ale v praxi sa Fraunhoferovho aproximácie často rozumne používa pre častice do veľkosti približne 5 mikrometrov.

Ako súvisí mieova teórie sa statickým rozptylom svetla?

Teóriu Mie možno použiť na opis obrazu rozptylu svetla sférických častíc s prihliadnutím na ich optické vlastnosti. Je základom pre analýzu veľkosti častíc pomocou statického rozptylu svetla. Teória Mie je použiteľná pre celý rozsah veľkostí, ktorý sa zvyčajne pohybuje medzi 10 nm a 4 mm. Teória je pomenovaná po Gustavovi Mie, ktorý v roku 1908 opísal rozptyl svetla riešením Maxwellových rovníc.

Ako súvisí intenzita statického rozptylu svetla s veľkosťou častíc?

Veľké častice rozptyľujú viac svetla ako malé častice. K zníženiu intenzity rozptylu svetla dochádza približne 106krát, čo znamená, že častice s veľkosťou 100 nm má 10-krát menší priemer, 1000-krát menší objem a miliónkrát menšie intenzitu statického rozptylu svetla v porovnaní s časticou s veľkosťou 1000 nm.

Ako súvisí uhol rozptylu statického svetla s veľkosťou častíc?

Podľa Fraunhoferovho aproximácie sa difrakčné uhly zvyšujú s klesajúcou veľkosťou. Dôležitým dôsledkom Mieho teórie v statickom rozptylu svetla je, že veľké častice rozptyľujú viac svetla v priamom smere než malé častice.

Ako súvisí intenzita statického rozptylu svetla s vlnovou dĺžkou?

Intenzita rozptylu častice je oveľa vyššia pre svetlo o krátke vlnovej dĺžke ako pre svetlo o dlhé vlnovej dĺžke. Tento rozptyl je nepriamo úmerný štvrtej mocnine vlnovej dĺžky, 1 / λ4. Svetlo dlhé vlnové dĺžky je však vhodnejšie pre meranie väčších častíc pomocou technológie statického rozptylu svetla.