تبعثر الضوء الديناميكي (DLS)
مقدمة:
تحليل DLS أو تشتت الضوء الديناميكي (Dynamic Light Scattering) هو طريقة لتحديد حجم الجسيمات وتوزيعها في السوائل. بينما تقوم تحليلات SEM و TEM بدراسة حجم الجسيمات في الحالة الجافة، فإنه في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل مجال الأدوية والبيولوجيا أو أي تطبيق يتطلب توزيع الجسيمات في سائل، يجب دراسة سلوك الجسيمات في السوائل، مما يستدعي إجراء تحليل DLS.
في الواقع، كل هذه الطرق تكمِّل بعضها بعضًا... في كثير من الدراسات، يُستخدم كل من هذه التحاليل لفحص حجم وسلوك الجسيمات. تحليل DLS هو أفضل طريقة لدراسة استقرارية الأبعاد للجزئيات نانوية وشدة تكتُّلاها. عادةً ما يُستخدَم DLS لقياس توزيع حجم الجسيمات من 1نانومتر إلى 10 ميكرون، بينما يُستخدَم SLS لقِـياس الجزيئات الأكبر حجماً والتي يزيد حجمها عن 1 ميكرومتر.
في العديد من الأبحاث، يتم استخدام التحليلات الثلاثة معًا لدراسة حجم وسلوك الجسيمات. يعتبر تحليل DLS أفضل طريقة لدراسة استقرار حجم النانوذرات وشدة التجمع بينها. عادةً ما تُستخدم طريقة DLS لقياس توزيع حجم الجسيمات التي تتراوح بين نانومتر واحد إلى 10 ميكرومتر، بينما تُستخدم طريقة SLS لقياس حجم الجسيمات الأكبر من ميكرومتر واحد. كما يتم إجراء تحليل DLS في مركز فوتون بأفضل جودة ومع أحدث التفسيرات مثل SBL.
تشتت الضوء
تحليل DLS أو تشتت الضوء الديناميكي (Dynamic Light Scattering) هو طريقة يمكن من خلالها الحصول على توزيع حجم الجسيمات في السوائل، حتى في الأبعاد الصغيرة جداً التي تصل إلى نانومتر واحد. تحديد حجم الجسيمات في العينات المسحوقة والغروية هو الخطوة الأولى لدراسة خصائص المادة.
هناك طرق مختلفة لدراسة حجم الجسيمات،
ولكن طريقتي تشتت الضوء الديناميكي (DLS): Dynamic Light Scattering
وتشتت الضوء الثابت (SLS) : Static light scattering
هما طريقتان سريعتان ورخيصتان لدراسة توزيع حجم الجسيمات. في كلتا الطريقتين DLS وSLS، يتم تحديد حجم الجسيمات بناءً على تشتت الضوء بواسطة هذه الجسيمات.
عادةً ما تُستخدم طريقة DLS لقياس توزيع حجم الجسيمات التي تتراوح بين نانومتر واحد إلى 10 ميكرومتر، بينما تُستخدم طريقة SLS لقياس حجم الجسيمات الأكبر من ميكرومتر واحد. كما أن هاتين الطريقتين لديهما القدرة على دراسة العينات الغروية. لذلك، يجب أن يتم تفريق العينات المسحوقة في سائل (عادةً الماء أو الكحول) قبل التحليل للحصول على نظام غروي موحد.
بشكل عام، يعتبر تحليل DLS أداة فعالة وضرورية للبحث والتطوير في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك علوم المواد، والصيدلة، والبيوتكنولوجيا.
الآلية ومبدأ الفحص
ديناميك الضوء، المعروف أيضًا بطيفية الاتصال الضوئي (PCS)، هو تقنية متقدمة تستخدم لقياس حجم الجسيمات في نطاق يتراوح من عدة نانومترات إلى ميكرونات، بالإضافة إلى تحديد الشحنات السطحية لهذه الجسيمات في بيئات سائلة. في المحاليل، تؤدي تصادمات الجسيمات والجزيئات الصغيرة مع جزيئات المذيب إلى حركة عشوائية تُعرف بحركة براونية، حيث تختلف سرعة حركة الجسيمات باختلاف حجمها: الجسيمات الأكبر والأثقل تتحرك بشكل أبطأ.
تستطيع الجسيمات أن تشتت شعاع الضوء (الذي يكون طوله الموجي أصغر من حجم الجسيم). عندما يتفاعل شعاع الليزر مع الجسيمات المتحركة، يتم تشتيت الضوء بترددات مختلفة. يرتبط مقدار التغير في تردد الضوء الساقط والمشتت بحجم الجسيمات، مما يتيح إمكانية حساب الحجم المتوسط للجسيمات من خلال قياس هذا التغير في التردد.
القطر الذي يُحسب باستخدام هذه الطريقة هو القطر الهيدروديناميكي للجسيمات، والذي يعكس حجم كرة افتراضية لها معامل نفاذ يعادل الجسيم المدروس. يعتمد معامل النقل على عدة عوامل، منها حجم الجسيم، وهيكله السطحي، وتركيزه، ونوع الأيونات الموجودة في البيئة المحيطة. عادةً ما تكون الأبعاد المستخلصة من هذه الطريقة أكبر مقارنةً بالقياسات التي تُجرى باستخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني (TEM).
العلاقة بين حجم الجسيمات وسرعة الحركة البراونية تُعبر عنها بمعادلة ستوك - أينشتاين:
من المهم ملاحظة أن حركة براونية الجسيمات تتأثر بعوامل أخرى غير حجم الجسيمات، مثل درجة الحرارة ولزوجة السائل. لذلك، يجب أن تكون المعايير المؤثرة في إجراء الاختبارات ثابتة ومعروفة لضمان دقة النتائج، حيث أن أي تغير في هذه المعايير قد يؤدي إلى أخطاء في القياسات.
قدرت التحليل
قياس الجسيمات الصغيرة: القدرة على قياس الجسيمات التي يزيد حجمها عن نانومتر واحد.
دقة عالية: نتائج دقيقة وموثوقة.
زمن اختبار قصير: نتائج سريعة.
تحليل متكرر: إمكانية الحصول على نتائج متكررة وقابلة للاعتماد.
سهولة الاستخدام: عدم الحاجة لتحضير معقد للعينات.
حجم عينة صغير: القدرة على قياس عينات بحجم صغير جدًا.
عيوب تحليل DLS
عدم الملاءمة لبعض الحلول: غير مناسب للسوائل ذات الوزن الجزيئي المنخفض جدًا أو الأنظمة ذات الامتصاص العالي.
تأثير التجمع: قد تتأثر النتائج بتجمع الجسيمات.
أخطاء في التشتت المتعدد: وجود أخطاء نتيجة التشتت من عدة اتجاهات.
تعتبر تقنية تحليل DLS أداة حيوية في مجالات متعددة، مثل علوم المواد، الصيدلة، والبيوتكنولوجيا، مما يسهم في تطوير فهم أعمق لسلوك الجسيمات في المحاليل.
فوائد تحليل DLS و SLS
قياس دقيق لتوزيع حجم الجسيمات النانوية وفقًا لمعيار INSO16247.
تحليل النتائج المتقدمةباستخدام طرق مثل NNLS، Pade-Laplace، CONTIN وCumulants.
التغلب على تأثير التجمع في النتائج من خلال استخدام الطريقة الحسابية SBL.
دراسة شاملة لتوزيع الحجم والشدة للجسيمات.
تحليل توزيع حجم الجسيمات المعدنية بدقة عالية.
تقييم توزيع حجم الجسيمات في المساحيق الكيميائية لضمان الجودة والفعالية.
فحص توزيع حجم الجسيمات في السيراميك لتطبيقات صناعية متعددة.
استكشاف توزيع حجم الجسيمات في الزجاج لضمان خصائصه المطلوبة.
تحليل توزيع حجم الجسيمات في المعاجين لتحسين الأداء والتطبيقات.
قياس جهد زيتا لفهم سلوك الجسيمات في المعلق.
تعتبر هذه القدرات أدوات أساسية في تعزيز دقة الأبحاث وتطوير التطبيقات في مجالات متعددة، من علوم المواد إلى صناعة الأدوية.
تفسير نتائج DLS
تحليل تشتت الضوء الديناميكي (DLS) يُستخدم لقياس حجم الجسيمات وتوزيعها في المحاليل. يتم تفسير النتائج الناتجة عن تحليل DLS من خلال عدة جوانب رئيسية:
حجم الجسيمات:
القيم المتوسطة (Z-Average): هذه القيمة تمثل الحجم المتوسط للجسيمات في العينة. تُعطى عادةً بوحدات النانومتر أو الميكرومتر.
توزيع الحجم: يتم تقديم توزيع الأحجام كمخطط يُظهر نسبة الجسيمات بحجم معين. يمكن أن يكون هذا التوزيع أحادي القمة (مؤشرًا على تجانس الحجم) أو متعدد القمم (مؤشرًا على تواجد أحجام مختلفة).
عرض التوزيع (Polydispersity Index - PDI):
قيمة PDI: تعكس مدى تنوع أحجام الجسيمات في العينة. تتراوح القيم من 0 إلى 1:
قيمة PDI 0.3: تشير إلى توزيع واسع، مما يعني وجود مجموعة متنوعة من الأحجام، وقد يكون ذلك نتيجة لتجمع الجسيمات.
استقرار الجسيمات:
علاقة بين حجم الجسيمات والاستقرار: الجسيمات الأصغر قد تكون أكثر عرضة للتجمع، بينما الجسيمات الأكبر قد تكون أكثر استقرارًا. تحليل DLS يمكن أن يساعد في تحديد ما إذا كانت الجسيمات في حالة مستقرة أو إذا كانت هناك حاجة لتعديل الظروف.
تأثيرات الظروف البيئية:
تغيرات pH، التركيز، ودرجة الحرارة: يمكن أن تؤثر هذه العوامل على نتائج DLS. على سبيل المثال، قد يتسبب تغيير في pH في تغيير الشحنات السطحية للجسيمات، مما يؤثر على حجمها واستقرارها.
مقارنة بين العينات:
يمكن استخدام نتائج DLS لمقارنة خصائص العينات المختلفة. على سبيل المثال، يمكن مقارنة توزيع الحجم لجزيئات نانوية تم تعديلها كيميائيًا مع تلك غير المعدلة.
تفسير نتائج DLS يوفر رؤى قيمة حول خصائص الجسيمات في المحاليل ويعتبر أداة أساسية في مجالات مثل علوم المواد، الأدوية، والبيوتكنولوجيا. الحصول على نتائج دقيقة يتطلب مراقبة دقيقة للمعايير التجريبية والبيئية.