برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۳۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۰۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

ضمائم مقاله
آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۴,۸۵۸
  • بازدید این ماه ۱۲۸
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۲۲
  • قبول شدگان ۱۷۷
  • شرکت کنندگان یکتا ۹۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۳
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

اسپکتروسکپی همبستگی فوتونی (PCS) برای اندازه‌گیری توزیع و دینامیک ذرات معلق در یک مایع

در این مقاله به معرفی روش اسپکتروسکپی همبستگی فوتونی پرداخته شده است. در ابتدا تاریخچه ای از این روش و نحوه ی کاربرد آن بیان شده است در ادامه تئوری این روش به تفصیل بحث و بررسی شده است بیشترین کاربرد این روش در اندازه گیری دینامیک ذرات معلق در یک مایع می باشد که برای نمونه، روش تجربی انجام این آزمایش بیان شده است. در انتها به بیان روشهای جدید با استفاده از این تئوری پرداخته شده است. در این مقاله معایب و مزایای این روش برای نتیجه گیری از جایگاه اسپکتروسکپی همبستگی فوتونی در بین روشهای اندازه گیری بیان شده است.
1- مقدمه
روش اسپکتروسکپی همبستگی فوتونی PCS (Photon Correlation Spectroscopy) به معنای امروزی در اواسط قرن بیستم با بسط و گسترش مفاهیم کوانتومی نور شروع شد ولی کاربردهای آن در بررسی دینامیک ذرات معلق مانند روش DLS (Dynamic Light Spectroscopy) به قرن نوزدهم برمی گردد تئوری DLS برپایه تئوری پراکندگی ریلی می باشد. ریلی در سال 1871 پراکندگی نور را از یک تک ذره که ابعاد آن در مقایسه با طول موج نور فرودی کوچکتر بود، بررسی کرد. البته به پراکندگی نور از ذرات دارای ابعاد بزرگتر از طول موج نور فرودی، پراکندگی می (Mie Scattering) گفته می شود که برای ذرات کروی با هر شعاعی، کاملا حل شده است. با این حال شروع استفاده از این روش به اوایل 1908 برمی گردد که در آن زمان، نوسانات زمانی مربوط به میانگین شدت نور پراکنده شده با توجه به حرکت ذرات و ضریب پخش آنها فرمولبندی شد. البته انیشتین قبل از آن رابطه بین حرکت و ضریب پخش را پیدا کرده بود و تنها وارد کردن آن در این فرمولبندی کافی بود تا این روش از لحاظ تئوری تکمیل شود. با این وجود این روش بصورت عملی با اختراع لیزر شروع شد. در دهه 1960 پکروا (Pecora) با بررسی پراکندگی متغیر با زمان نور نشان داد[1] که با آنالیز توزیع فرکانسی مربوط به نوسانات شدت نور پراکنده شده از سوسپانسیون ماکرومولکول ها، می توان اطلاعات مربوط به ضرایب پخش حرکتهای چرخشی و لرزشی ماکرومولکول ها را بدست آورد. در ابتدا روش DLS برای اندازه-گیری ضریب پخش ماکرومولکول ها استفاده می شد که از این طریق ابعاد هیدرودینامیکی ذرات را محاسبه می-کردند [2-4]. در نیمه دوم دهه 1970 تلاش عمده بر روی بهبود وسایل اندازه گیری مانند کورلیتور (Correlator) که در واقع دستگاه آنالیز سیگنال دیجیتال می باشد و الگوریتم های لازم برای آنالیز توزیع زمان واهلش انجام شد تا مدت زمان اندازه گیری در یک آزمایش کاهش داده شود. همچنین برترو و همکارانش در سال 1984 رابطه ای برای بهترین تفکیک ممکن را بدست آوردند. با ورود کورلیتورهای با کیفیت بالا و افزایش سرعت رایانه ها برای آنالیز داده ها رشد فزاینده ای در کاربرد این روش دیده می شود[5].

2- تئوری
اسپکتروسکپی همبستگی فوتونی برپایه ارتباط موجود بین طیف فرکانسی اندازه گیری شده توسط آشکارساز در خروجی و طیف شدت نور فرودی است[6]. نور فرودی بر آشکارساز می تواند ناشی از نور لیزر و یا نور پراکنده شده توسط ذرات متحرک مانند ذرات گرد و غبار و یا میکروب ها باشد (هوموداین اسپکتروسکپی). در برخی موارد تداخل بین نور لیزر فرودی و نور پراکنده شده بر روی آشکار ساز ایجاد می شود و طیف تداخل همدوس، آشکارسازی می شود (هیتروداین اسپکتروسکپی). از نگاه دیگر اسپکتروسکپی همبستگی فوتونی را می توان به این صورت بیان کرد که روشی است برای اندازه گیری نوسانات شدت در حالتی که تعداد فوتون های شمارش شده با آشکارساز در بازه های زمانی مشخصی بیان شود. تابع خود همبستگی زمانی برای شدت اندازه گیری شده بوسیله کورلیتور محاسبه می شد. به دلیل پیشرفت در افزایش سرعت مدارهای الکترونیکی در سالهای اخیر مدت زمان لازم برای انجام اندازه گیری تا حد باور نکردنی کاهش یافته است[7].
در روش PCS نور لیزر با شدت، قطبش و طول موج مشخص بر روی نمونه کانونی می شود. سپس مولکولهای تحت تابش در یک میدان الکتریکی متناوب قرار داده می شوند. در این حالت نور پراکنده به غیر از جهت قطبش نور فرودی در همه جهات پراکنده می شود. بیشتر نور پراکنده شده دارای همان قطبش نور اولیه می باشد، البته به دلیل راستای مولکولها، نورهای غیرقطبشی نیز در زمینه نور پراکنده وجود خواهند داشت.
یک مایع کاملا همگن، نور را فقط در راستای مستقیم ولی مایع ناهمگن، نور را در راستاهای مختلف پراکنده می کند. در مایع، حرکت گرمایی مولکولها و اتمها باعث نوسانات چگالی می شود که منجر به تغییر در نوسانات ضریب شکست و شدت نور پراکنده، می گردد. در واقع دلیل اصلی در پراکندگی نور در یک مایع دارای چند نوع مولکول، نوسانات در چگالی این مایع می باشد.
نور پراکنده از یک حجم کوچک پراکنده کننده بصورت یک سیگنال (شبیه به اختلال (noise)) حول یک مقدار مشخصی نوسان می کند که این حجم پراکنده کننده براساس بخشی از نور آشکارشده و شعاع حجم، مشخص می شود. این اختلال در سیگنال آشکار شده در واقع نشانگر دینامیک حرکت مولکولهای موجود در مایع و نحوه همبستگی آنها با یکدیگر است. برای استخراج این اطلاعات بایستی تابع همبستگی شدت آشکارشده را محاسبه کرد:

(1)                           filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

که سمت چپ تساوی نشانگر میانگین زمانی و filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636 زمان تاخیر و N تعداد اندازه گیری ها می باشد. برای زمانهای تاخیر طولانی، شدت ها دیگر همبسته نیستند به بیان ریاضی در داخل براکت میانگین زمانی هیچ ترم تداخلی وجود ندارد که بتواند در میانگین گیری زمانی از داخل براکت بیرون آید در نتیجه :

                  (2)                                                                filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
که سمت راست تساوی نشانگر میانگین مربع شدت می باشد. پس filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820ازfilereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636   به filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820  تبدیل می شود. به دلیل اینکه تابع همبستگی به زمان اولیه بستگی ندارد می توان آنرا بصورت filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820نوشت.
تابع نرمالیز شده شدت خودهمبستگی بصورت زیر تعریف می شود:
                     (3)                                                   filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
 
یک مثال از تابع خود همبستگی شدت در شکل 1 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1- نمودار تابع خودهمبستگی برحسب زمان

کمیتی که بطور مستقیم به دینامیک پراکنده کننده ربط دارد تابع همبستگی میدان الکتریکی(g1(t است:
                          (4)                                                 filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

تابع همبستگی میدان با تابع خود همبستگی در یک آزمایش هموداین و با آمار گاوسی پراکنده کننده می توان بصورت زیر بیان کرد:

                                       (5)                                                filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
که در آن σ یک فاکتور همدوسی وسیله است که بوسیله تعداد مساحتهای همدوسی در سطح آشکارساز مشخص می شود. مساحت همدوسی بصورت زیر تعریف می شود:

                                    (6)                                                    filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
که R فاصله بین آشکارساز و حجم پراکنده کننده با شعاع a است و λ طول موج نور فرودی می باشد. چیدمان اپتیکی برای PCS بایستی طوری باشد که σ تقریبا برابر یک شود.

3- تجربی
در شکل 2 یک چیدمان اپتیکی شماتیک از نحوه انجام آزمایش نشان داده شده است. لیزر هلیوم-نئون با طول موج 632.8nm با توان خروجی 60mW به عنوان منبع نور و تیغه ربع موج نیز برای تغییر قطبش به حالت عمودی استفاده شده است. سپس نور با استفاده از یک عدسی بر روی نمونه کانونی شده است دمای نمونه با استفاده از یک منبع گرمایی-سرمایی قابل کنترل می باشد. زاویه پراکندگی را می توان تغییر داد تا وابستگی بردار موج را بررسی کرد. نور پراکنده بوسیله یک عدسی جمع آوری می شود و سپس به کمک یک قطبشگر، هندسه پراکندگی را مشخص می کنند. سپس نور پراکنده شده از یک لوله با طول 50cm با قطر 1mm عبور داده می-شود، این کار منجر به آشکارسازی یک مساحت همدوسی در فوتوکاتد (در فوتوکاتد انرژی فوتونها به الکترونها منتقل می شود و جریان در مدار ایجاد می شود) می گردد.

filereader.php?p1=main_dc468c70fb574ebd0
شکل 2- چیدمان اپتیکی اندازه گیری تابع خودهمبستگی

در فوتوکاتد، تابع همبستگی جریان فوتوالکتریک در دو حالت قابل تشخیص است:
1. فرایند آماری نشر الکترون از کاتد منجر به نوسانات آماری جریان الکتریکی می شود حتی در حالتی که موج نور فرودی شامل شار فوتونی منظم و بدون اختلال باشد.
2. نوسانات دامنه موج نور فرودی وابسته به مشخصات منبع نور و یا ذرات پراکنده¬کننده نور باشد.
پس از آشکارسازی نور پراکنده شده بوسیله PM-tube و با استفاده از یک تقویت کننده مجزاگر پالسی، سیگنال به یک پالس دیجیتال تبدیل می شود. خروجی قطار پالس های دیجیتال به کورلیتور انتقال داده شده که در این بخش تابع خودهمبستگی پالسهای ورودی (شدت آشکارسازی شده) نرمالیزه می شود.
4- مقایسه با روشهای دیگر اندازه گیری ذرات
روشهای مختلف اندازه گیری برای یک ذره مشخص به دلیل فیزیک متفاوت آنها، نتایج متفاوتی نسبت به هم دارند. در روش DLS تنها می توان تعداد اندکی ذرات بزرگ را در بین تعداد زیادی ذره کوچک تشخیص داد. با این حال، این روش، یک روش مطلق است و نیازی به کالیبراسیون ندارد.
در هر اندازه گیری بایستی چیدمان اپتیکی و کالیبراسیون ثابت باشد و داده های بدست آمده از اندازه گیری برای این آزمایش صدق می کند. روش DLS محدوده بزرگی از اندازه از 1 نانومتر تا 3 میکرومتر را پوشش می دهد در حالی که در روشهای دیگر محدوده اندازه گیری اینقدر وسیع نیست. اندازه گیری زمانی، دقیق می باشد و به پهنای توزیع ذرات معلق، اندازه مطلق و مشخصات فیزیکی آنها وابسته است. دستگاههای پراکندگی فرانهوفر (روشی دیگر برای اندازه گیری ذرات) قادر به تعیینِ اندازه ذرات از 20 نانومتر تا چندین میلیمتر می باشند. این دستگاهها از دو بخش تشکیل شده اند که بخش اول بر پایه تئوری پراش (پراکندگی با زاویه کوچک) با پیمانهd)d2اندازه قطر ذرات می باشد که با توان 2 زاویه پراکندگی رابطه دارد) و بخش دیگر بر پایه پراکندگی می با پیمانه d)d6 اندازه قطر ذرات می باشد که با توان 6 زاویه پراکندگی رابطه دارد) می باشند که این دو بخوبی نشانگر دلیل اندازه گیری پراکندگی با این محدوده وسیع اندازه ذرات می باشند ولی بخاطر پیمانه های مختلف و تفکیک پایین امکان بدست آوردن توزیع جرمی صحیح ممکن نیست به همین دلیل روش DLS، نسبت به این روش پرکاربرد ارجحیت دارد.
5- پیشرفتهای جدید

5- 1- گسترش کورلیتورهای جدید
در سالهای اخیر پیشرفت کورلیتورها تغییرات قابل توجهی در اندازه و همچنین قابلیت اندازه گیری با محدوده زمانی وسیعتری جهت شمارش نمونه ایجاد کرده اند که نتیجه رشد مدارهای مجتمع با سرعتهای بالا و روشهای جدید در محاسبه تابع خودهمبستگی شده است. همانطور که قبلا نیز اشاره شدکورلیتورها دستگاههای آنالیز سیگنال دیجیتال (DSP) می باشند. به پشتوانه پیشرفتهای فزاینده در صنعت نیمه هادیها مانند سرعت محاسبه، چگالی مدارهای مجتمع و توان مصرفی کمتر و حجم کوچکتر و چگالی گیتهای بیشتر، رشد قابل توجهی در ساخت DSP ها انجام و منجر به استفاده بیشتر از کورلیتورها در کاربردهای DLS شده است.

5- 2- لیزرهای حالت جامد
در روش DLS بیشتر از لیزر دیودها به دلیل پایداری شدت خوب آنها استفاده می شود البته در صورت نیاز به توانهای بالاتر (برای مثال روش DPSS) از لیزر آرگون و برای طول موجهای بلندتر از 780 نانومتر از لیزرهای APD استفاده می شود.

5- 3- روشهای کابردی جدید
به دلیل اینکه اسپکتروسکپی همبستگی فوتونی کاربردهای فراون و گسترده در زمینه های مختلف مانند زیست (اندازه گیری مولکولهای آلی)، شیمی( اندازه گیری ذرات معلق در حلالها)، مکانیک سیالات( توزیع سرعت گرادیانی ذرات در یک شاره) و غیره دارد[8-13]، به روشهای جدید با انعطاف پذیری لازم جهت استفاده در حوزه¬های مختلف نیاز است. در ادامه به برخی از این روشها اشاره می شود. مثلأ روش اسپکتروسکپی پخش موجی(DWS) که در آن امکان انجام DLS در چگالی های بزرگتر میسر شده است. در روشی دیگر از فیبرهای تک مد استفاده می شود که این امکان را فراهم می آورد تا نور پراکنده شده فقط ناشی از یک اسپکل (محدوده-های پرشدت و یکدست که بصورت جزیره در محدوده تابشی نور لیزر بر روی پرده دیده می شوند) باشد که از تابع همبستگی تقاطعی (Cross Correlation Function) سیگنالهای ناشی از دو آشکارساز، اندازه ذرات با دقت بالا محاسبه ¬شود. یک روش دیگر در واقع یک دستگاه تجاری بنام FOQELS می باشد که از دو فیبر تک مد استفاده می کند که راستای محور آنها با زاویه مشخصی قرار می گیرند. تلاشهای فعلی در راستای تولید دستگاههای ثابت مانند اسپکترومترهای معمولی می باشد تا بتوان آنها را بصورت یک سیستم مجزا به بازار عرضه کرد.


6- نتیجه گیری
در این مقاله سعی بر این بود تا روش اسپکتروسکپی همبستگی فوتونی با توجه به کاربرد آن معرفی و بحث شود که با توجه به مطالب ذکر شده این روش در اندازه گیری اندازه ذرات و حرکت دینامیکی آنها بسیار کارامد می باشد. با این حال، هر روشی دارای مزایا و معایبی می باشد در این نتیجه گیری برای مقایسه و نشان دادن جایگاه این روش مزایا و معایب آن بیان شده است؛

6- 1- معایب
• این روش، هیستوگرام (نمودار گرافیکی از توزیع شدت در یک عکس دیجیتالی) تفکیکی بالایی از توزیع ذرات را ایجاد نمی کند.
• شکل ذرات بصورت کره فرض شده و قطر این کره را می¬توان بدست آورد ولی در حالت واقعی ذرات دارای شکل های متفاوتی می باشند.
• در اندازه گیری، بیشتر مواقع توزیع ذرات بر حسب عکس میانگین یک محور برای مثال z بدست می آید و قابلیت اندازه گیری مستقیم اندازه ذرات را ندارد.
• آلودگی محیط مانند گرد و غبار، آنالیز داده ها را مشکل می کند.

6- 2- مزایا
• اندازه گیری ها در بازه های زمانی کوتاه بین چند ثانیه تا چند دقیقه صورت می¬گیرد.
• روش اندازه گیری آن مطلق می باشد و نیازی به کالیبراسیون ندارد.
• حتی تعداد بسیار اندکی از ذرات در مایع، قابل اندازه گیری هستند.
• در هر سوسپانسیونی که شرایطی مانند غیرجذبی بودن، شفافیت و چسبندگی برقرار باشد، اندازه ذرات قابل اندازه گیری می باشد.
• اندازه ذرات را می توان از 1 نانومتر تا چند میکرون اندازه گیری کرد.
• دستگاههای اندازه گیری با این روش بطور تجاری در بازار موجود می باشد.



منابـــع و مراجــــع

1.Pecora, R. "Doppler Shifts in Light Scattering from Pure Liquids and Polymer Solutions" , J. Chem. Phys., Vol40 , pp.1604–1614, (1964).

2.Berne, B.J., Pecora, R. " Dynamic Light Scattering" , Wiley-Interscience, New York, (1976).

3.Cummins, H.Z., Pike, E.R. " Photon Correlation and Light Beating Spectroscopy" , Plenum Press, New York, (1974).

4.Cummins, H.Z., Pike, E.R. "Photon Correlation Spectroscopy and Velocimetry" , Plenum Press, New York, (1977).

5.Tscharnuter, W. "Photon Correlation Spectroscopy in Particle Sizing" , Encyclopedia of Analytical Chemistry ,R.A. Meyers (Ed.), pp. 5469–5485, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, (2000).

6.Svanberg, C., Bergman, R. "Photon Correlation Spectroscopy" , Chalmers University of Technology, (2005).

7.Demtroder, "Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation" , 3rd edition , Springer, New York, (2002).

8.Gun’ko, M.V., Klyueva, A.V., Levchuk, Y.N., Lebodac, R. " Photon correlation spectroscopy investigations of proteins" , Advances in Colloid and Interface Science, Vol 105, pp. 201–328, (2003).

9.Williams, C.A. "Application of photon correlation spectroscopy to a macromolecular system" , Physics Department, The College of Wooster, Wooster, Ohio (1998).

10.Salerno, D., Brogioli, D., Croccolo, F., Ziano, R., Mantegazza, F. "Photon correlation spectroscopy with incoherent light" , OPTICS EXPRESS Vol. 19, No. 27 (2011).

11.Trott, W.M. "Investigation of Jet Fuel Thermal Stability Using Photon Correlation Spectroscopy and a Quartz Crystal Microbalance" Energetic and Multiphase Processes Department 1512, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico 87185-0834.

12.http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering

نظرات و سوالات

نظرات

0 0

حسین عجمین - ‏۱۳۹۷/۰۵/۱۵

با سلام. در پاسخ تشریحی یکی از سوالات قسمت متوسط اشاره شده که "اسپکتروسکپی همبستگی فوتونی کاربردهای فراون و گسترده در زمینه های مختلف مانند زیست (اندازه گیری مولکولهای آلی)، شیمی( اندازه گیری ذرات معلق در حلالها)، مکانیک سیالات( توزیع سرعت گرادیانی ذرات در یک شاره) و غیره دارد." ولی سیستم به جای پاسخ صحیح که همه موارد و گزینه د است، گزینه ب را به عنوان پاسخ صحیح در نظر می گیرد. با تشکر

پاسخ مسئول سایت :

با تشکر از توجه شما، مورد اصلاح شد.

0 0

هادی زادسیرجان - ‏۱۳۹۵/۰۲/۰۲

سلام

مقاله خوبی بود و مفاهیم به زبان ساده توضیح داده شده بود