Tuy nhiên, trong bối cảnh phân tích kích thước hạt, phép đo DLS được tiến hành ở các mẫu loãng và hiệu ứng hình dạng hạt bị bỏ qua, nên chỉ cần sử dụng một góc tán xạ là đủ nếu DLS được
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VẬT LÝ TÁN XẠ ÁNH SÁNG ĐỘNG
Nguyên tắc
Phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) là kỹ thuật xác định kích thước hạt và phân tử sinh học trong khoảng dưới micron (1 nm–1 μm), chủ yếu để định lượng kích thước các hạt lơ lửng trong môi trường lỏng DLS cung cấp thông tin quan trọng về tính ổn định và tương tác của các hạt nano, bao gồm sự kết tụ, phân bố kích thước và đặc tính thủy động lực học Phương pháp này dựa trên chuyển động Brown và tán xạ ánh sáng để phân tích các hạt nano trong chất lỏng.
1.1.1 Cách tán xạ ánh sáng đo kích thước hạt
Nguyên lý cơ bản của tán xạ ánh sáng động (DLS) là đo ánh sáng kết hợp được phân tán theo thời gian bởi các vật thể như phân tử lớn hoặc hạt mịn Các tín hiệu đo được đánh giá dựa trên sự dao động của chúng, có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau DLS tập trung vào những dao động do chuyển động nhiệt của các vật thể tán xạ, diễn ra ở thang thời gian rất nhỏ, từ micro giây đến nano giây.
Nguyên lý của DLS (Dynamic Light Scattering) dựa trên việc đo ánh sáng tán xạ từ các hạt mịn khi chúng được chiếu sáng bằng tia laser Quá trình này diễn ra với độ phân giải thời gian cao dưới một góc xác định θ.
1.1.2 Chuyển động Brown và vai trò của nó trong phép đo
Phân tích kích thước hạt dưới micromet dựa vào chuyển động Brown, dẫn đến sự sắp xếp không gian vĩnh viễn Sự sắp xếp này ảnh hưởng đến giao thoa của tín hiệu tán xạ, tạo ra tín hiệu dao động tại máy dò Động lực của sự sắp xếp lại được xác định bởi hệ số khuếch tán hạt.
Dp, tỷ lệ nghịch với kích thước hạt, được biểu diễn trong phương trình Stokes–Einstein[2]:
𝐷 𝑝 : Hệ số khuếch tán; 𝑘 𝐵 : Hằng số Boltzmann;
𝑇: Nhiệt độ; : Độ nhớt dung môi ( kg/m -s );
𝑥 ℎ,𝑡 : đường kính thủy động lực của chuyển động tịnh tiến
Chuyển động Brown của các đại phân tử bị ảnh hưởng bởi kích thước, nhiệt độ và độ nhớt của dung môi Thông tin chính xác về nhiệt độ là rất quan trọng trong việc đo DLS, vì độ nhớt của dung môi thay đổi theo nhiệt độ Khi theo dõi chuyển động của các hạt theo thời gian, ta có thể xác định kích thước của các đại phân tử; hạt lớn khuếch tán chậm hơn, dẫn đến việc chúng xuất hiện ở các vị trí tương tự trong những thời điểm khác nhau, trong khi hạt nhỏ, như phân tử dung môi, di chuyển nhanh và không giữ vị trí cụ thể.
Các thông số đo đạc có được bằng phương pháp DLS là kích thước hạt trung bình và chỉ số đa phân tán.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Các thành phần cơ bản của máy đo DLS được trình bày trong bảng 1.1
Bảng 1.1 Thiết bị đo: Các thành phần cơ bản của DLS
No Các thành phần cơ bản
Quá trình thu thập và phân tích dữ liệu trong thiết bị tán xạ ánh sáng động bắt đầu khi ánh sáng laser chiếu vào các đại phân tử, dẫn đến hiện tượng tán xạ ánh sáng theo mọi hướng, với cường độ tán xạ được ghi lại ở một góc xác định θ Hiện tượng Doppler mở rộng xảy ra khi các đại phân tử chuyển động trong dung dịch, tạo ra các pha triệt tiêu và tăng cường ánh sáng tán xạ, từ đó tạo ra tín hiệu có thể phát hiện Bộ tương quan kỹ thuật số sẽ phân tích dao động cường độ ánh sáng tán xạ theo thời gian, giúp xác định cường độ dao động liên quan đến hành vi khuếch tán của các đại phân tử Hàm tương quan được tính toán từ những dao động này cung cấp thông tin về động lực học của hạt, trong khi vận tốc chuyển động Brown được xác định bởi hệ số khuếch tán tịnh tiến (D), có thể chuyển đổi thành kích thước hạt thông qua phương trình Stokes-Einstein Phân tích DLS cũng cung cấp thông số chỉ số đa phân tán (PDI), cho biết sự phân bố kích thước hạt trong mẫu và hỗ trợ chuyển đổi phân bố kích thước theo trọng số cường độ (Qint) thành phân bố kích thước theo trọng số (Q0).
Các mô hình quang học như tán xạ Rayleigh và tán xạ Rayleigh–Debye–Gans được áp dụng để phân tích dữ liệu tán xạ, đặc biệt là trong việc giải thích các đặc điểm liên quan đến hình dạng và kích thước của hạt.
Góc tán xạ θ là một yếu tố quan trọng trong cấu hình quang học của các thí nghiệm DLS, với các thiết bị thường có góc tán xạ cố định ở 90 độ hoặc gần 180 độ Một số thiết bị có từ 3 đến 5 góc tán xạ cố định, cho phép lựa chọn góc tối ưu cho từng mẫu Ngoài ra, một số thiết bị DLS cho phép thay đổi góc tán xạ gần như liên tục, được gọi là thiết lập tán xạ ánh sáng động đa góc (MA-DLS), thường được áp dụng cho các mục đích ngoài phân tích kích thước hạt thuần túy MA-DLS có thể nâng cao chất lượng phân tích kích thước hạt bằng cách giảm nhiễu do hình dạng và nồng độ hạt, đồng thời tăng độ phân giải của phân bố kích thước Tuy nhiên, những lợi ích này đi kèm với thời gian đo lâu hơn và chi phí thiết bị cao hơn.
Trong phân tích kích thước hạt, phép đo DLS thường được thực hiện trên các mẫu loãng, với việc bỏ qua hiệu ứng hình dạng hạt, cho phép sử dụng một góc tán xạ duy nhất Tuy nhiên, góc tán xạ có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu và yêu cầu chuẩn bị mẫu Mặc dù hình dạng và nồng độ hạt không thể hoàn toàn bỏ qua trong việc giải thích dữ liệu, góc tán xạ tối ưu cho phân tích kích thước hạt phụ thuộc vào hệ thống hạt và mục đích phân tích cụ thể Các phương pháp phân tích DLS như tán xạ thuận, tán xạ ngang và tán xạ ngược được trình bày chi tiết trong bảng 1.2.
Bảng 1.2 trình bày những ưu điểm và nhược điểm chính của các hình học tán xạ khác nhau được áp dụng trong DLS, cùng với các ứng dụng thực tế tiêu biểu của các góc tán xạ trong DLS [2].
Tán xạ thuận Tán xạ ngang Tán xạ ngược Ưu điểm - Phân tích kích thước chính xác của các hạt nano mịn
