Dynamische Licht Verstrooiing (DLS=Dynamic Light Scattering) is een gevestigde en nauwkeurige analysetechniek voor het bepalen van deeltjesgrootte in suspensies en emulsies. Microtrac is pionier in deeltjes-analysetechnologie en ontwikkelt optische systemen op basis van DLS sinds meer dan 30 jaar.
Dynamische lichtverstrooiing is gebaseerd op de Brownse beweging van deeltjes in suspensie. Kleinere deeltjes bewegen sneller, grotere deeltjes langzamer. Licht verstrooid door bewegende deeltjes draagt informatie over de grootteverdeling. De conventionele methode om verstrooid licht in DLS te analyseren, wordt Photon Correlation Spectroscopy (PCS) genoemd. Het vereist een autocorrelator en biedt slechts een gemiddelde grootte, of heeft leverancierspecifieke curve-fit-algoritmen nodig om een grootteverdeling te schatten.
De Frequency Power Spectrum (FPS)-methode is anders - het intensiteitssignaal van de fotodetector wordt wiskundig omgezet door Fast Fourier Transformation in een Frequency Power Spectrum en geeft direct een grootteverdeling door iteratieve foutminimalisatie. De diffusiesnelheid van de Brownse beweging is omgekeerd evenredig met de afmeting dp (hydrodynamische diameter) van de deeltjes:
De diffusie coefficiënten (D) van de deeltjes zijn omgekeerd evenredig met hun deeltjesgrootte (dp, hydrodynamische diameter) volgens de Stokes-Einstein vergelijking.
(k=Boltzmann constante, T=temperatuur, η= viscositeit)
Om de deeltjesgrootte accuraat te bepalen, moeten de exacte waarde van de parameters T (temperatuur) en η (viscositeit) van de vloeistof gekend zijn.
De Dynamische Licht Verstrooiing (DLS=Dynamic Light Scattering) -techniek bepaalt deeltjesbeweging optisch door het verstrooide lichtsignaal onder een vaste hoek te registreren. De deeltjes worden belicht met een monochromatische, coherente (laser) lichtbron en het door de deeltjes verstrooide licht wordt gedetecteerd en vergeleken met de oorspronkelijk invallende lichtstraal.
De temporele fluctuatie van het strooilichtsignaal is hierbij van belang, omdat het informatie bevat over de beweging van de deeltjes. De fluctuaties worden veroorzaakt doordat de deeltjes die het licht verstrooien ten opzichte van elkaar bewegen, wat resulteert in constant wisselende interferenties binnen het totale verstrooide licht. Het door de deeltjes verstrooide licht bevat dus kleine frequentieverschuivingen die worden veroorzaakt door de tijdsafhankelijke positie of snelheid van de deeltjes. Gemeten over de tijd veroorzaakt beweging een verdeling van frequentieverschuivingen.
Deze verschuivingsfrequenties kunnen worden bepaald door vergelijking met een coherente optische referentie. Bij dynamische lichtverstrooiing bevinden de verschuivingsfrequenties zich op de schaal van 1 Hz tot 100 KHz, wat gemakkelijk kan worden gemeten.
Er zijn twee benaderingen voor optische referentie: homodyne detectie (ook wel "self-beating" of "zelfreferentie" genoemd) en heterodyne detectie ("reference beating" of "gecontroleerde referentie").
Bij de homodyne benadering vormt het verstrooide licht zelf de referentie voor het bepalen van de frequentieverschuiving. In tegenstelling hiermee plaatst gecontroleerde referentie of heterodyne detectie het verstrooide licht op een deel van het invallende licht, wat de referentie vormt voor het bepalen van de frequentieverschuivingen. Het resulterende detectorsignaal in beide methoden bevat een verdeling van frequenties die representatief is voor de grootte van de deeltjes in suspensie.
Van de twee benaderingen biedt de heterodyne modus met "gecontroleerde referentie" vele voordelen ten opzichte van de homodyne opstelling in een dynamische lichtverstrooiingsanalyser. De belangrijkste hiervan is de signaalintensiteit. Dit is evenredig met is2, de gemiddelde strooilichtintensiteit in het kwadraat, in de homodyne meting. Daarentegen is de signaalintensiteit in de heterodyne meting evenredig met is x i0, het product van de verstrooide intensiteit en intensiteit van de referentie.
Dit resulteert in een veel sterker meetsignaal bij heterodyne detectie en maakt het gebruik van laserdiodes als lichtbron en siliciumfotodiodes als detector mogelijk. De verbeterde signaalsterkte vergemakkelijkt ook de meting van zeer kleine, laagverstrooiende deeltjes tot in het onderste nanometerbereik.
λ= golflengte in suspensiemedium, ω = frequentie,
ωo = frequentie van deeltje op halve hoogte,
η = viscositeit, θ = buigingshoek, is = verstrooide optische intensiteit, io= referentie optische intensiteit, r = deeltjesradius, k = Boltzmann constante, T = temperatuur
Het dynamische lichtverstrooiingssignaal kan op verschillende manieren worden geëvalueerd: via een tijdsafhankelijke autocorrelatiefunctie of een frequentie-vermogensspectrum (FPS), de ene is de Fourier-transformatie van de andere. Homodyne meting met autocorrelatie is de basis van de veelgebruikte "foton correlatie spectroscopie" (PCS=Photon Correlation Spectroscopy). Dit vereist een autocorrelator en bepaalt alleen een gemiddelde op intensiteit gebaseerde gemiddelde grootte (z-gemiddelde) en een "polydispersiteitsindex", die een ruwe indicatie is van de breedte van de verdeling. Om de verdeling te berekenen, zijn instrument-specifieke algoritmen voor curve-aanpassing vereist.
De frequentie-vermogensspectrum (FPS=Frequency Power Spectrum) -methode is echter betrouwbaarder en duidelijk superieur aan PCS in termen van gevoeligheid, nauwkeurigheid en resolutie. Het DLS-signaal van de detector wordt wiskundig omgezet in een frequentie-vermogensspectrum door de Fast Fourier Transformatie en geeft, na iteratieve foutminimalisatie, een directe indicatie van de grootteverdeling.
Het frequentie-vermogensspectrum heeft de vorm van een Lorentz-functie. De karakteristieke frequentie, ω0, is omgekeerd evenredig met de deeltjesgrootte. De figuur geeft het frequentie-vermogensspectrum weer voor verschillende deeltjesgroottes. Het omgekeerde verband tussen de karakteristieke frequentie en de deeltjesgrootte is duidelijk.
1. Detector | 2. Gereflecteerde oorspronkelijke laserstraal & verstrooid licht | 3. Safier venster | 4. Y-straal splitter | 5. GRIN lens | 6. Monster | 7. Laser straal in optische vezel | 8. Laser
Microtrac heeft een innovatieve benadering van dynamische lichtverstrooiing (DLS) gevolgd door een gepatenteerd sondeontwerp te gebruiken om licht te leveren en te verzamelen. Door de lasersonde op de materiaalinterface te focussen, combineert Microtrac de voordelen van een korte weglengte met referentiekoppeling en 180° achterwaartse verstrooiing (zgn. backscatter), wat de beste nauwkeurigheid, resolutie en gevoeligheid oplevert.
Sterkste optische signaal en nauwkeurigheid bij de laagste concentraties: alle dynamische lichtverstrooiingsmetingen gebruiken een vorm van ‘kloppen’ om de hoge optische frequentie van het verstrooide licht te verwijderen, waardoor de door deeltjesbeweging geïnduceerde lagere frequenties overblijven die nodig zijn voor de analyse van de deeltjesgrootte. Het heterodyne detectieprincipe van Microtrac gebruikt de sonde om 180° achterwaarts verstrooid licht te verzamelen dat gemengd wordt met invallend licht.
Door de geometrie van de componenten kan licht reflecteren vanaf de interface en wordt dit gecombineerd met opgevangen strooilicht. Het gereflecteerde licht maakt referentiekloppen (zgn. reference beating) mogelijk. Het totale optische signaal wordt versterkt door de hoge intensiteit van de gereflecteerde component. Het resultaat is het hoogst mogelijke optische signaal dat nauwkeurige metingen levert in de laagst mogelijke concentraties.
Het heterodyne meetprincipe met referentiekloppen maakt het ook mogelijk om fluorescerende deeltjes te meten.
De sonde van Microtrac focust de laser op het grensvlak tussen sonde en deeltjessuspensie. Licht dringt door de suspensie en verstrooiing vindt plaats met de aangetroffen deeltjes en 180° terugverstrooid licht. Gemengd met het invallende licht keert het terug naar de fotodetector. De totale weglengte wordt geminimaliseerd, terwijl het opgevangen strooilicht wordt gemaximaliseerd.
Resultaat: nauwkeurige metingen bij de hoogste deeltjesconcentraties.
Dynamische Laserlicht Verstrooiing wordt gebruikt in verschilende deeltjes-analysers als voorkeurs-meetprincipe.
Ons team van experts adviseert u graag over uw toepassing en over ons productgamma.
Dynamische lichtverstrooiing is een veelgebruikte methode voor het meten van de deeltjesgrootte. Het is bijzonder geschikt voor de karakterisering van nanomaterialen. De Brownse beweging (diffusiecoëfficiënt) van de deeltjes in een vloeistof wordt bepaald en een hydrodynamische deeltjesdiameter wordt verkregen via de Stokes-Einstein-vergelijking. Voor de evaluatie moeten temperatuur en viscositeit bekend zijn.
Bij deeltjesanalyse op basis van dynamische lichtverstrooiing wordt het monster belicht door een laserstraal en wordt het verstrooide licht geregistreerd onder één detectiehoek (in de meeste gevallen in achterwaartse richting) gedurende een periode van gewoonlijk 30-120 seconden. De beweging van de deeltjes veroorzaakt intensiteitsschommelingen in het verstrooide licht. Uit deze fluctuaties kan de diffusiecoëfficiënt worden bepaald, en dus ook de deeltjesgrootte-verdeling.
Het meetbereik voor dynamische lichtverstrooiing is van 0,3 nm tot 10 µm. Dit overlapt grotendeels met laserdiffractie, die een meetbereik heeft vanaf 10 nm tot op de millimeter. Met afnemende deeltjesgrootte wordt de methode van dynamische lichtverstrooiing steeds beter in vergelijking met laserdiffractie. Voor grotere deeltjes heeft laserdiffractie daarentegen voordelen boven dynamische lichtverstrooiing.
Naast de mogelijkheid om extreem kleine deeltjes te analyseren, biedt Dynamische Licht Verstrooiing (DLS=Dynamic Light Scattering) ook het voordeel om te meten in een breed concentratiebereik van enkele ppm tot 40 vol% (monsterafhankelijk). De metingen kunnen in verschillende containers worden uitgevoerd of een sonde kan zelfs direct in het te onderzoeken monster worden ondergedompeld. Bovendien bieden veel instrumenten voor dynamische lichtverstrooiing de mogelijkheid om extra de Zetapotentiaal te meten.
Dynamische Licht Verstrooiing wordt in vele industrietakken gebruikt voor verschillende toepassingen. Typische monsters hebben deeltjes kleiner dan 1 micrometer, zoals bvb. pigmenten, inkten, microemulsies, keramiek, geneesmiddelen, dranken en levensmiddelen, cosmetica, metalen, lijmen, polymeren, colloïdale suspensies, organische macromolecules, en vele andere.
De methode voor Dynamische Licht Verstrooiing voor deeltjesgrootte analyse analyse eb deeltjesgrootte verdeling wordt beschreven in ISO 22412. Daarnaast wordt Zetapotentiaal vaak uitgevoerd met behulp van dynamische licht verstrooiing die beschreven wordt in ISO 13099.
Er zijn verschillende methodes om een dynamisch lichtverstrooiingssignaal te verkrijgen en te evalueren. De heterodyne (of reference-beating) technologie, die een deel van de invallende bundel gebruikt als referentie voor het verstrooide licht, is superieur gebleken in termen van signaal-ruisverhouding. Het tijdsafhankelijke signaal wordt via een Fourier-transformatie omgezet in een frequentie-vermogensspectrum. Deeltjesgrootte kan worden verkregen uit dit vermogensspectrum.
