تشتت الضوء الديناميكي

مقدمة

التشتت الديناميكي للضوء (DLS)، والمعروف أيضًا باسم التحليل الطيفي لارتباط الفوتون (PCS)، هو طريقة شائعة الاستخدام لتوصيف الجسيمات النانوية. يتميز محلل حجم الجسيمات DLS بمزايا الدقة والسرعة والتكرار الجيد لقياس الجسيمات النانوية أو المستحلبات أو المعلقات. يتميز جهاز BeNano 180 Zeta Pro يعتمد محلل الجسيمات النانوية على التشتت الضوئي الديناميكي. ويمكنه قياس المواد النانوية حتى 0.3 نانومتر، وهو أداة أساسية لقياس توزيع حجم الجسيمات النانوية لفهم المواد النانوية المسحوقة والبحث فيها.

الخلفية النظرية

ما هو تشتُّت الضوء؟ عندما يقوم مصدر ضوء أحادي اللون ومترابط بإشعاع جسيم ما، تتفاعل الموجة الكهرومغناطيسية مع الشحنات الموجودة في الذرات التي يتكون منها الجسيم، ومن ثم تحفز تكوين ثنائي القطب المتذبذب في الجسيم. يشير تشتت الضوء إلى انبعاث الضوء في جميع الاتجاهات من ثنائي القطب المتذبذب. أثناء تشتت الضوء شبه المرن، تكون تغيرات التردد بين الضوء المتناثر والضوء الساقط صغيرة، ويكون للضوء المتناثر من ثنائي القطب المتذبذب طيف يتسع حول تردد الضوء الساقط.

تعتمد شدة الضوء المتناثر على الخصائص الفيزيائية الجوهرية للجسيم مثل الحجم والوزن الجزيئي. وشدة الضوء المتناثر ليست قيمة ثابتة؛ فهي تتذبذب بمرور الوقت بسبب السير العشوائي للجسيمات التي تمر بحركة براونية والتي تشير إلى السير العشوائي المستمر والتلقائي للجسيمات عند وضعها في الوسط الناتج عن التصادمات بين الجسيمات وجزيئات الوسط. تسمح لنا التقلبات في شدة الضوء المتناثر مع الوقت بحساب معامل الانتشار من خلال تحليل دالة الارتباط التلقائي. ولتحديد سرعة الحركة البراونية، يتم نمذجة معامل الانتشار الانتقالي بواسطة معادلة ستوكس-آينشتاين. لاحظ هنا أن معامل الانتشار محدد هنا بكلمة 'انتقالي'، مما يشير إلى أن الحركة الانتقالية فقط وليس الحركة الدورانية للجسيم تؤخذ في الاعتبار. معامل الانتشار الانتقالي له وحدة المساحة لكل وحدة زمن، حيث يتم إدخال المساحة لمنع اصطلاح تغيير الإشارة عندما يتحرك الجسيم بعيدًا عن نقطة الأصل. ثم باستخدام معادلة ستوكس-آينشتاين، يمكن حساب توزيع حجم الجسيمات من معامل الانتشار. وتسمى هذه التقنية بالتشتت الضوئي الديناميكي، وتسمى اختصارًا DLS.

يتم التعبير عن معادلة ستوكس-آينشتاين على النحو التالي:

المعادلة 1: معادلة ستوكس-آينشتاين

يشير نصف القطر الهيدروديناميكي إلى نصف القطر الفعلي للجسيم الذي له انتشار مطابق لجسيم كروي تمامًا في نصف القطر هذا. على سبيل المثال، كما هو موضح في الشكل 1، يشير نصف القطر الحقيقي للجسيم إلى المسافة بين مركزه ومحيطه الخارجي، بينما يتضمن نصف القطر الهيدروديناميكي طول الأجزاء المتصلة حيث إنها تنتشر ككل. يتناسب نصف القطر الهيدروديناميكي عكسيًا مع معامل الانتشار الانتقالي.

الشكل 1: رسم توضيحي لنصف القطر الهيدروديناميكي.

الإعداد البصري

يظهر الإعداد الكامل لأداة DLS في الشكل 2.

الشكل 2: الإعداد البصري لتشتت الضوء الديناميكي لجهاز BeNano 90، أجهزة Bettersize.

 
• الليزر
  معظم أجهزة الليزر في أجهزة DLS هي أجهزة ليزر غازية وليزر الحالة الصلبة. والمثال النموذجي لليزر الغازي في إعداد DLS هو ليزر الهيليوم-نيون الذي ينبعث منه ليزر بطول موجي 632.8 نانومتر. أما ليزر الحالة الصلبة فيشير إلى جهاز ليزر يعمل فيه مادة صلبة كوسيط كسب. في ليزر الحالة الصلبة، تضاف كميات صغيرة من الشوائب الصلبة التي تسمى 'المنشطات' إلى وسيط الكسب لتغيير خصائصه البصرية. وغالباً ما تكون هذه الشوائب معادن أرضية نادرة مثل النيوديميوم والكروم والإيتربيوم. وأكثر أنواع ليزر الحالة الصلبة استخداماً هو ليزر الحالة الصلبة الأكثر شيوعاً هو ليزر الإيتريوم الألومنيوم المطعّم بالنيوديميوم المخدّر بالنيوديميوم، ويختصر باسم Nd: YAG. يتميز ليزر الغاز بمزايا انبعاث الطول الموجي المستقر مع تكلفة منخفضة نسبياً. ومع ذلك، فإن ليزر الغاز عادة ما يكون له حجم كبير نسبيًا يجعله ضخمًا جدًا. من ناحية أخرى، يكون ليزر الحالة الصلبة أصغر حجمًا وأقل وزنًا أيضًا، مما يجعله أكثر مرونة في التعامل معه.
 

 
• الكاشف
  بعد تشعيع شعاع الليزر على خلية العينة، يتشتت الضوء بواسطة الجسيم، ويتذبذب هذا الضوء المشتت بسبب الحركة البراونية. ويلتقط الكاشف عالي الحساسية إشارات تقلبات الضوء المبعثرة هذه عند مستويات منخفضة الشدة ويحولها إلى إشارات كهربائية لمزيد من التحليل في جهاز الارتباط. وتشمل الكواشف شائعة الاستخدام في الإعداد البصري لـ DLS أنبوب المضاعف الضوئي والصمام الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي. ووفقًا لورانس دبليو جي وآخرون، فإن أداء PMT وAPD متشابه من حيث الضوضاء إلى أداء الإشارة في معظم مستويات الإشارة، بينما يتفوق APD على PMT في المناطق الطيفية الحمراء والقريبة من الأشعة تحت الحمراء. كما أن لدى APD أيضًا كفاءة كمية مطلقة أعلى من PMT. ولهذه الأسباب، يتم مؤخرًا استخدام تقنية APD بشكل متكرر أكثر في أجهزة DLS.
 

 
• المرحل
  بعد الإعداد البصري، تكتمل عملية تشتت الضوء وتجميع شدة الضوء. ثم يتم تحليل الإشارات المكتشفة بواسطة الكواشف في جهاز الارتباط لحساب توزيع نصف القطر الهيدروديناميكي في النهاية.
  يمكننا مضاعفة شدة التشتت المجمعة من الكاشف مع نفسه بعد إزاحته بفترة زمنية عشوائية ما (τ). يمكن أن تكون هذه الـ τ أي شيء يتراوح بين بضعة نانوثانية وميكروثانية، لكن القيمة الفعلية للفاصل الزمني لا تؤثر على نتيجة الاختبار.
  بعد تطبيق الخوارزمية الرياضية، يمكن الحصول على دالة الارتباط التلقائي G1(q، ττ). تتحلل G1(q، τ) أضعافًا مضاعفة من 1 إلى 0، حيث يعني 0 عدم وجود ارتباط على الإطلاق بين الإشارات في الوقت t والوقت t زائد τ، ويعني 1 الارتباط التام. وأخيرًا، مع كل المعلومات المعروفة عن دالة الارتباط، يمكن حساب نصف القطر الهيدروديناميكي باستخدام معادلة ستوكس-آينشتاين.
 

أحادي التشتت مقابل متعدد التشتت

تتطابق جميع الجسيمات أحادية الشتيت في الحجم والشكل والكتلة، مما ينتج عنه قمة واحدة ضيقة في منحنى توزيع حجم الجسيمات. من ناحية أخرى، لا تكون الجسيمات متعددة الشُعب متماثلة في هذه المعلمات. من المهم إدراك تعدد التشتت في العينات لأن خوارزميات حساب توزيع نصف القطر الهيدروديناميكي في المترابط تختلف اعتمادًا على ما إذا كانت العينات أحادية الشدة أو متعددة الشظايا.

تُستخدَم خوارزميتان رياضيتان رئيسيتان لحل دالة الارتباط التلقائي للعينات متعددة التشتت. الطريقة الأولى والأكثر شيوعًا هي طريقة التراكمات، والتي تتضمن حل مفكوك تايلور لدالة الارتباط التلقائي. ومع ذلك، فإن طريقة التراكمات صالحة فقط مع العينات متعددة التشتت صغيرة الحجم. يمكن إجراء التحقق من صحة الحساب من خلال حساب مؤشر تعدد التشتت والتحقق من مؤشر تعدد التشتت أو PDI، ولا يكون تحليل المتراكمات صالحًا إلا إذا كانت قيمة PDI صغيرة نسبيًا. يمكن لخوارزمية CONTIN حساب توزيع نصف القطر الهيدروديناميكي مباشرةً للعينات المشتتة على نطاق واسع. وهي طريقة رياضية معقدة نسبيًا تنطوي على تنظيم.

المرجع

تشو، ب. تشتت ضوء الليزر: المبادئ والممارسات الأساسية، الطبعة الثانية، مطبعة أكاديمي: بوسطن، بوسطن، 1991.

Dian, L.; Yu, E.; Chen, X.; Wen, X.; Zhang, Z.; Q.; Q.; Wang, Q.; Li, G.; Wu, C. تعزيز التوافر الحيوي عن طريق الفم للكيرسيتين باستخدام ميكيلات بوليميرية سولوبلاس الجديدة. Nanoscale Res Lett 2014، 9 (1), 684. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-684.

Dhont, J. K. G. G. An Introduction to Dynamics of Colloids; Studies in interface science; Elsevier: Amsterdam, Netherlands; New York, 1996.

Falke, S.; Betzel, C. Dynamic Light Scattering (DLS): المبادئ والمنظورات والتطبيقات على العينات البيولوجية. In Radiation in Bioanalysis; Pereira, A. S., Tavares, P., Limão-Vieira, P., Eds.; Bioanalysis; Springer International Publishing: Cham, 2019; Vol. 8, pp 173-193. https://doi.org/10.1007/978-3-030-28247-9_6.

ISO 22412:2017. تحليل حجم الجسيمات - تشتت الضوء الديناميكي (DLS). المنظمة الدولية للتوحيد القياسي.

Lawrence, W. G., Varadi, G., Entine, G., Podniesinski, E., & Wallace, P. K. (2008). مقارنة بين كاشفات الصمام الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي وكاشفات الأنبوب الضوئي المتعدد المضاعفات لقياس التدفق الخلوي. Imaging, Manipulation, and Analysis of Biomolecules, Cells, and Tissues VI. doi:10.1117/12.758958

تشتت الضوء من محاليل البوليمر ومشتتات الجسيمات النانوية؛ مختبر سبرينغر؛ سبرينغر برلين هايدلبرغ: برلين، هايدلبرغ، 2007. https://doi.org/10.1007/978-3-540-71951-9.

شبكة تعليم العلوم النانوية غير الرسمية، شبكة NISE، الصورة العلمية - جسيمات الذهب النانوية. تم الاسترجاع من https://www.nisenet.org/catalog/scientific-image-gold-nanoparticles.

سلسلة الجسيمات النانوية، جسيمات السيليكون النانوية تفاصيل المنتج، مواد ACS. تم الاسترجاع من: https://www.acsmaterial.com/silicon-nanoparticles.html

المستشعرات الضوئية، أنبوب المضاعف الضوئي، شركة نيوبورت. تم الاسترجاع من: https://www.newport.com/f/photomultiplier-tubes?q=PMT

المكونات الإلكترونية الضوئية، الصمامات الثنائية الضوئية الانهيار الضوئي (APD)، شركة وارساش العلمية. تم الاسترجاع من: http://www.warsash.com.au/products/optoelectronics/PHOTONIC-DETECTORS.php

Scotti, A.; Liu, W.; Hyatt, J. S.; Herman, E. S.; Choi, H. S.; Kim, J. W.; Lyon, L. A.; Gasser, U.; Fernandez-Nieves, A. خوارزمية CONTIN وتطبيقها لتحديد توزيع حجم المعلقات الميكروية. The Journal of Chemical Physics 2015، 142 (23)، 234905. https://doi.org/10.1063/1.4921686.

تقنية الكشف عن التشتت الخلفي

مع البحث الذكي عن موضع الاكتشاف الأمثل

- تقع نقطة الكشف في منتصف خلية العينة

كما هو موضح في الرسم الأيسر، فإن حجم التشتت الخلفي كبير جدًا بحيث يستقبل الكاشف العديد من إشارات التشتت من الجسيمات وبالتالي يزيد من حساسية الجهاز. لديه قدرة أفضل على الكشف عن العينات المخففة، والتي لها أحجام أصغر وتأثيرات تشتت أضعف. ومع ذلك، فإن الكشف غير قابل للتطبيق على العينات ذات التركيزات العالية للغاية وتأثيرات التشتت القوية للغاية. حتى إذا تم اكتشاف العينة بالكاد، فإن النتيجة ستنحرف عن القيمة الحقيقية.

- تقع نقطة الكشف عند حافة خلية العينة

كما هو موضح في الرسم الأيمن، تكون نقطة الكشف ثابتة بالقرب من جدار خلية العينة. لا يحتاج شعاع الليزر إلى اختراق العينة، مما يمكن أن يتجنب بشكل فعال تأثير التشتت المتعدد للعينات عالية التركيز ويضمن دقة وتكرار نتائج حجم الجسيمات في نطاق التركيز العالي. ومع ذلك، نظرًا لتصميمه البصري، فإن حجم التشتت صغير جدًا مما يضعف من حساسية الجهاز، وبالتالي فإن الجهاز غير مؤهل لقياس الجسيمات الصغيرة أو العينات ضعيفة التشتت أو العينات المخففة جدًا في ظل هذه الحالة

الحل: البحث الذكي عن موضع الكشف الأمثل

من خلال تحريك العدسة، يمكن ضبط نقطة الكشف في أي موضع من المركز إلى حافة خلية العينة. وهذا يسمح بالكشف عن أنواع وتركيزات مختلفة من العينات إلى أقصى حد ممكن. من الناحية العملية، يتم تحديد موضع الكشف الأمثل وشدة الليزر بذكاء لكل عينة محددة وفقًا لتركيز العينة وحجمها وقدرتها على التشتت من أجل تحقيق أعلى دقة قياس.