Лазерная дифракции и PIDS для измерения малых и несферических частиц
Трудности измерения размеров маленьких частиц
Маленькие частицы представляют собой реальную проблему для технологии лазерной дифракции.
Крупные частицы сильно рассеивают свет лазера под малыми углами, при этом в паттерне рассеяния легко идентифицируются максимумы и минимумы. Детекторы, расположенные под небольшими углами по отношению к направлению распространения падающего света и имеющие достаточное угловое разрешение, позволяют зарегистрировать эти максимумы и минимумы.
Чем меньше частица, тем меньше отношение ее размера к длине волны (d/λ). При этом паттерн светорассеяния становится более плавным и сглаженным, что затрудняет определение размеров частиц. К тому же маленькие частицы рассеивают свет слабо, и максимумы и минимумы можно измерить только под очень большими углами. Регистрация и анализ паттернов рассеяния в этом случае затруднены.
Современные производители с переменным успехом предлагают разные способы преодоления таких ограничений. Большинство из них заключается в измерении характеристик обратно рассеянного света.
Ошибки измерения размеров несферических частиц
Большинство лазерных анализаторов размеров частиц вообще не учитывает их форму.
Математические модели, используемые для вычисления распределений, основываются на предположении, что частицы, из которых состоит материал, имеют сферическую форму. Поэтому распределение частиц по размеру, получаемое в результате анализа, на самом деле является распределением эквивалентных сферических частиц. В большинстве случаев этого вполне достаточно, поскольку сферическая модель достаточно хорошо описывает многие частицы.
Если же мы имеем дело с частицами, форма которых далека от идеальной сферы, полученное распределение будет не точным, а приблизительным или номинальным. В крайних случаях результаты анализа несферических частиц на основе сферической модели будут очень далеки от реальности. Такое отклонение становится явным, если сравнивать результаты, полученные методом лазерной дифракции, с результатами полученными, например, методом дифференциальной интенсивности рассеянного поляризованного света (PIDS).
Сравнение методов лазерной дифракции и PIDS для измерения размеров маленьких и несферических частиц
В основе технологии PIDS лежит теория рассеяния света Ми и поперечность световых волн. Если колебания вектора напряженности электрического поля происходят в световой волне только в вертикальной плотности, а вектора напряженности магнитного поля – только в горизонтальной, то такой свет называется вертикально поляризованным.
Если на образец падает луч поляризованного света с определенной длиной волны, колебания электрического поля индуцируют колебания (осцилляцию) дипольных моментов частиц в плоскости поляризации света. Колеблющиеся диполи при этом излучают свет во всех направлениях, за исключением направления распространения падающего света.
Измерение методом PIDS заключается в последовательном облучении образца светом трех длин волн (450 нм, 600 нм и 900 нм), сначала – вертикально поляризованным, затем – горизонтально поляризованным. Рассеянный и вторично излученный образцом свет анализируется в широком угловом диапазоне. Целью измерений является разница между сигналами от света с разной плоскостью поляризации, а не величина этих сигналов. Оценив разницу при каждой длине волны, можно определить распределение частиц по размерам.
Анализатор размера частиц LS 13 320 с технологией PIDS
LS 13 320 – универсальный лазерный дифракционный анализатор размера частиц, в котором используется технология PIDS для анализа несферических субмикронных частиц.
Благодаря следующим трем подходам, реализованным в LS 13 320, размеры частиц ≥ 40 нм могут быть не экстраполированы, а точно измерены:
1. Расширение углового диапазона детекции уменьшает нижний предел измерения размеров.
Критерием размера сферической частицы является угловое положение первого минимума на паттерне рассеяния, и чтобы определить размер частицы
диаметром <0,5 мкм, максимальный угол
наблюдения должен быть больше 90°. Таким образом при оценке размера субмикронных частиц угловой диапазон детекции должен составлять не меньше 90°. На практике максимальный угол детекции может достигать 175°.
2. Использование более коротких световых волн.
Паттерн светорассеяния зависит от длины волны (λ) и размера частиц (d), а точнее – от соотношения d/λ. Интерференционные эффекты, отвечающие за тонкие детали паттерна, существенно ослабевают если d/λ становится меньше 0,5. Уменьшение длины волны приводит к увеличению соотношения d/λ и снижению нижнего предела измерения размеров.
3. Использование дифференциального рассеяния поляризованного света.
Используя дифференциальное рассеяние поляризованного света, зависящее на больших углах от длины волны, можно уменьшить нижний предел измерения размеров частиц до 40 нм, что почти соответствует теоретическому пределу.
Комбинация этих подходов была реализована в единой технологии PIDS и запатентована компанией Beckman Coulter. Все сигналы генерируются благодаря одному и тому же явлению светорассеяния и обрабатываются совместно, как и при обычных измерениях методом лазерной дифракции.
Это позволяет анализатору LS 13 320 определять размеры частиц с непревзойденными точностью и воспроизводимостью и высочайшим разрешением, не упуская данные о мельчайших и самых крупных частицах в образце.
