اندازه گیری ذرات (Particle size Analyzer)

نحوه کارکرد

یک مسئله اساسی در تحلیل اندازه ذره مشخص کردن ذرات با استفاده از یک عدد است. بسیاری از روش‌های اندازه‌گیری توزیع اندازه ذره را بر یک نمودار دو بعدی گزارش می‌دهند (یعنی اندازه ذره در محور x و کمیت مواد در محور y). اما، مشکل این روش آن است که فقط یک شکل وجود دارد که می‌تواند توسط عدد منحصربفرد توصیف شود و آن کره است. تنها یک کره در هر بعد یکسان است. اگر بگوییم یک کره 100 میکرونی داریم، این عدد دقیقاً آن را شرح می‌دهد. نمی‌توانیم این موضوع را مثلاً برای مکعب بگوییم، چرا که 100 میکرون ممکن است طول یک گوشه یا حتی خط عرضی را شرح دهد.

برای این منظور، همه روش‌های اندازه‌گیری ذره ویژگی یک بعدی یک ذره را اندازه‌گیری می‌کنند و این اندازه را به کره معادل مرتبط می‌کنند. یک مثال، اندازه‌گیری مساحت ذره و سپس گزارش اندازه کره است که دارای همان مساحت است. احتمالاً رایج‌ترین روش، اندازه‌گیری حجم هر ذره در یک نمونه و گزارش اندازه کره است که دارای همان حجمِ ذره اندازه‌گیری شده است (این چیزی است که در روش پراش لیزر انجام می‌گیرد).

 

 

اندازه‌گیری ذره با استفاده از پراش لیزر

پراش لیزر به یکی از رایج‌ترین روش اندازه‌گیری ذره تبدیل شده است، به ویژه برای ذرات در محدوده 0.5 تا 1000 میکرون. این روش بر اساس اصول پراکندگی پرتو نور (لیزر) توسط گروهی از ذرات استوار است، زاویه پراکندگی نور به صورت معکوس متناسب با اندازه ذره است (یعنی هر چه اندازه ذره کوچک باشد، زاویه پراکندگی نور بیشتر است). پراش لیزر به روش محبوب تبدیل شده است، چون می‌تواند به بسیاری از انواع نمونه‌های مختلف شامل پودرهای خشک، سوسپانسیون‌ها، امولسیون‌ها و حتی افشانه‌ها اعمال شود. این روش همچنین بسیار سریع، قابل‌اطمینان و قابل‌تولید مجدد است و می‌تواند محدوده وسیعی از اندازه‌ها را اندازه‌گیری نماید.

روش‌های دیگر

روش‌های دیگری برای تحلیل اندازه ذره به‌غیراز پراش لیزر وجود دارد. غربال کردن یکی از قدیمی‌ترین روش‌های اندازه‌گیری ذره است و هنوز به صورت گسترده برای ذرات نسبتاً بزرگ (یعنی بزرگ‌تر از 1 نانومتر) استفاده می‌شود. زمانی که ذرات بسیار کوچک را اندازه‌گیری می‌کنیم (یعنی کمتر از 0.5 میکرومتر)، پراکندگی نور دینامیک تاکنون راحت‌ترین روش برای استفاده است. و اگر نیاز به اندازه‌گیری ویژگی‌های شکلی (ریخت‌شناسی) ذرات دارید، (یعنی شکل در کنار اندازه)، پس روش تحلیل تصویری تنها راه برای به دست آوردن اطلاعات اضافی است.

پراش لیزر به عنوان یکی از مهم‌ترین و مؤثرترین روش در دنیای تحلیل اندازه ذره به کمک ویژگی‌های سریع و غیر مخرب بودن، مناسب بودن آن برای محدوده وسیعی از اندازه‌های ذره و توانایی کاملاً خودکار بودن آن پدید یافته است. به عنوان روشی که توزیع اندازه ذره را برای پراکندگی خشک و تر اندازه‌گیری می‌کند، آن دارای مزایای بسیاری شامل دقت در سطح بالا، پاسخ سریع، پتانسیل بالا برای تکرار نتایج و محدوده قطر ذره قابل‌اندازه‌گیری گسترده است.

نقش پراش لیزر در تحلیل ذره

در طول 20 سال گذشته، پراش لیزر تا حد بالایی جایگزین روش‌های مرسوم تحلیل اندازه ذره همانند غربال کردن و رسوب‌گذاری (ته‌نشین شدن) (روش رایج پیشین برای مواد دانه‌ای) شده است.

با توجه به ظرفیت شناخته شده آن از تولید دوباره و محدوده اندازه در حدود 5 برابر، پراش لیزر به عنوان روشی منتخب در صنعت داروسازی که بررسی اندازه ذره در تعیین عملکرد یک محصول یا پروسه ضروری است پدیدار گشته است.

یک مثال از این تأثیر داروهای نیمه جامد است که اغلب در پمادها، کرم‌ها، ژل‌ها و لوسیون‌ها استفاده می‌شود. داروهای نیمه‌ جامد دارای برخی از ویژگی‌های جامدات و برخی از ویژگی‌های مایعات است، بنابراین دانستن اندازه ذره در آن‌ها در شناخت این که چگونه هر محصول خاص باید به بدن انسان انتقال داده شود حیاتی است.

حوزه اتوماسیون یعنی تحلیل اندازه ذره مدرن اغلب با بارگذاری نمونه و فشردن دکمه است که یک چشم‌انداز جالب برای شرکت‌های داروسازی است که به دنبال سنجش تحقیقات خود هستند.

چگونه پراش لیزر کار می‌کند

پراش لیزر بر اساس رابطه بین نور و سطوح پایه‌گذاری شده است (اینجا ذرات). زمانی که نور و سطح باهم تعامل می‌کنند، منجر به یک یا ترکیبی از شکست‌ها، بازتاب‌ها، جذب یا پراش می‌شود.

با فرض این که سیستم پراش حاوی موارد زیر باشد، بیش‌ترین حوزه برای تحلیل اندازه ذره دقیق ارائه می‌شود:

• یک لیزر- این به عنوان منبع نور منسجم و شدید دارای طول‌موج معین ضروری است.
• سیستم نمایش نمونه- این تضمین می‌کند که مواد آزمایش شونده به صورت موفق در طول پرتو لیزر به عنوان جریانی از ذرات حرکت می‌کنند که دارای حالت شناخته شده از پراکندگی هستند و می‌تواند دوباره تولید شود.
• آشکارساز- آشکارسازهای خاص (معمولاً آرایه‌ای از دیودهای سیلیکونی حساس به نور) برای اندازه‌گیری الگوی نور تولید شده در محدوده‌ای از زوایا به کار برده شده است.

پراش لیزر که به روش ابر یا گروه مشهور است به این معنی است که برای کل نمونه نتیجه می‌دهد و از ارائه اطلاعات برای ذرات منفرد خودداری می‌کند. روش‌های گروهی از پرتو گسترش یافته نور لیزر که نور را با لنزهای خاص پراکنده می‌کند تا مجموعه بزرگ‌تری را ارائه دهد، استفاده می‌کند. در طول آزمایش پراش لیزر، ذرات در پرتو لیزر موازی شده روشن می‌شوند- الگوی پراکنده شده از نور را ایجاد می‌کند- استنباط اندازه و شکل ذرات را برای دانشمندان ممکن می‌کند.

به عنوان یک قانون کلی، ذرات بزرگ‌تر شدت بالاتری از پراکندگی را در زوایای کوچک‌تر نسبت به پرتو ایجاد می‌کند و ذرات کوچک‌تر از طرفی، سیگنال با شدت کمتر با زوایای گسترده‌تر ایجاد می‌کند. این الگوی پراکندگی زاویه‌دار با آشکارسازهای طراحی شده خاص مختلف اندازه‌گیری می‌شود و توزیع اندازه ذره از اطلاعات منتجه تعیین می‌شود.

 

مدل‌های پراش لیزر

پراش لیزر وابسته به مدل‌های اپتیکی است تا به دانشمندان در درک اطلاعات تولید شده کمک کند. نظریه پراکندگی می (Mie) و تقریب پراش فرانهوفر دو نظریه کلیدی استفاده شده برای محاسبه نوع الگوهای توزیع شدت نور تولید شده توسط ذرات در اندازه‌های مختلف است.

نظریه فرانهوفر

در اواخر دهه 1970، زمانی که سیستم‌های پراش لیزر برای اولین بار معرفی شد، توان محاسباتی محدود باعث سختی و غیرعملی شدن اعمال با دقت بالا نظریه می شد. تقریب فرانهوفر از نظریه می یک مدل بسیار آسان‌تر برای استفاده بود و بنابراین به صورت گسترده در این مرحله اتخاذ شد. آن یک رویکرد ساده‌تر با فرض‌های زیر ارائه داد:

• اندازه ذره باید نسبتاً بزرگ باشد. توصیه می‌شود که 10 برابر طول‌موج لیزر، حداقل مقدار برای این تقریب است.
• ذرات اندازه‌گیری شده باید قرص‌های مات باشند.
• نور فقط در زوایای کم پراکنده می‌شود.
• ذرات در هر اندازه‌ای نور را با بازده یکسان پراکنده می‌کنند.
• ضریب شکست بین ذرات و محیط اطراف نامحدود است.

نظریه پراکندگی می

نظریه می از اختلاف ضریب شکست بین ذرات و محیط پراکنده شده برای پیش‌بینی شدت نور پراکنده شده استفاده می‌کند. همچنین شرح می‌دهد که چگونه مشخصات جذب ذره بر مقدار نوری که در ذره انتقال داده می‌شود تأثیر دارد چه جذب شود و چه بازتاب یابد. توانایی حساب تأثیر بازتاب نور در ذره به ویژه برای ذرات با قطر کمتر از 50 میکرومتر و یا ذراتی که شفاف هستند بسیار اهمیت دارد.

نظریه می مبتنی بر مفروضات زیر است:

• ذرات اندازه‌گیری شده باید کروی باشند.
• سوسپانسیون باید رقیق باشد تا این که نور توسط یک ذره پراکنده شود و قبل از این که با دیگر ذرات برخورد کند آشکارسازی شود.
• ویژگی‌های اپتیکی ذرات و محیط اطراف باید معلوم باشد.
• ذرات همگن هستند.

انتخاب راه‌حل علمی مناسب

پیشرفت در توان محاسباتی به تحلیل کنندگان ذره مبتنی بر پراش لیزر مدرن این اجازه را می‌دهد که به صورت کامل از تصویر نور پراکنده شده توسعه یافته توسط می در 100 سال قبل بهره بگیرند. مثال‌ها در اینجا برای نشان دادن این موضوع است که چگونه توانایی نظریه می در پیش‌بینی دقیق اثر شفافیت ذره و تغییر در بهره‌وری پراکندگی آن را نسبت به تقریب فرانهوفر برتر کرده است، به ویژه برای ذرات با قطر کمتر از 50 میکرومتر. ISO13320 این مزیت را شناسایی کرده و نتیجه گرفته است که نظریه می مدل اپتیکی مناسب در محدوده اندازه‌گیری پراش لیزر کامل ارائه می‌دهد.

سیستم‌های اندازه‌گیری مدرن دسترسی آسان‌تر به توانایی قدرتمند نظریه می ایجاد کرده است، برای مثال از طریق گنجاندن پایگاه داده ضرایب شکست. این سیستم‌ها بالاترین دقت را برای گسترده‌ترین محدوده ممکن از مواد فراهم کرده است.