Анализатор размеров частиц методом динамического рассеяния света Photocor Compact

Photocor Compact — компактный анализатор размеров частиц и молекулярной массы

Photocor Compact представляет собой прецизионный лабораторный прибор, предназначенный для определения размеров дисперсных частиц, коэффициентов диффузии и молекулярной массы в растворах и суспензиях. Принцип действия анализатора базируется на методе динамического рассеяния света, который также известен в научной литературе под названиями фотонная корреляционная спектроскопия или квазиупругое рассеяние света. Прибор полностью соответствует требованиям международного стандарта ISO 22412:2008, регламентирующего процедуры измерения размеров частиц данным физическим методом.

Конструкция Photocor Compact отличается компактными габаритами и малой массой, что позволяет размещать анализатор на стандартном лабораторном столе без необходимости использования специализированных виброизолирующих оптических столов. Подключение к персональному компьютеру или ноутбуку осуществляется через универсальный интерфейс USB, обеспечивая простоту интеграции прибора в любую современную исследовательскую инфраструктуру.

Физические основы метода динамического рассеяния света

Метод динамического рассеяния света основан на регистрации и математическом анализе флуктуаций интенсивности света, рассеянного дисперсными частицами, находящимися в состоянии непрерывного хаотического броуновского движения. Броуновское движение макромолекул или наночастиц в жидкой среде приводит к постоянным микроскопическим изменениям их локальной концентрации. Эти концентрационные неоднородности вызывают соответствующие локальные флуктуации показателя преломления среды. При прохождении когерентного лазерного луча через такую систему часть излучения рассеивается на возникающих оптических неоднородностях, формируя сигнал, интенсивность которого изменяется во времени.

Скорость затухания этих флуктуаций напрямую зависит от скорости перемещения частиц: мелкие объекты диффундируют быстрее, вызывая быстрые изменения интенсивности, тогда как крупные частицы движутся медленнее, порождая более плавные флуктуации. Коэффициент диффузии обратно пропорционален характерному времени релаксации флуктуаций интенсивности рассеянного света. Это время релаксации определяется как время затухания экспоненциальной временной автокорреляционной функции, которая вычисляется с помощью цифрового коррелятора.

Для монодисперсной системы невзаимодействующих сферических частиц временная автокорреляционная функция интенсивности описывается следующим выражением:

G(τ) = a × exp(-2τ / tc) + b

В данном уравнении τ обозначает время задержки, a и b являются экспериментальными константами, а tc представляет собой характерное время корреляции. Обратное время корреляции связано с коэффициентом диффузии соотношением:

1 / tc = Dt × q²

Здесь Dt — поступательный коэффициент диффузии, а q — волновой вектор флуктуаций концентрации, который рассчитывается по формуле:

q = (4πn / λ) × sin(θ / 2)

В этом выражении n означает показатель преломления дисперсионной среды, λ — длину волны падающего лазерного излучения, θ — угол регистрации рассеянного света. Таким образом, измеряя время затухания корреляционной функции при известном угле рассеяния и длине волны лазера, можно точно определить волновой вектор и вычислить коэффициент диффузии исследуемых объектов.

Определение гидродинамического радиуса по формуле Стокса-Эйнштейна

После вычисления коэффициента диффузии размер частиц (гидродинамический радиус) рассчитывается на основании фундаментального уравнения Стокса-Эйнштейна, связывающего диффузионную подвижность объекта с его геометрическими параметрами и свойствами окружающей среды:

Dt = kb × T / (6πηR)

В этой формуле kb является постоянной Больцмана, T — абсолютной температурой образца в кельвинах, η — сдвиговой вязкостью дисперсионной среды, R — искомым гидродинамическим радиусом частицы. Из данного соотношения следует, что точность определения размера критически зависит от корректности задания параметров температуры и вязкости растворителя. Именно поэтому анализатор Photocor Compact оснащён прецизионной системой термостатирования, исключающей температурные погрешности при расчётах.

Анализ полидисперсных систем

Интерпретация экспериментальных данных, полученных методом динамического рассеяния света, является наиболее простой для идеализированного случая монодисперсных сферических частиц. Однако реальные образцы, как правило, характеризуются определённой степенью полидисперсности. Для полидисперсных систем математическая обработка корреляционных функций существенно усложняется.

При работе с одномодальными полидисперсными распределениями достижимая точность измерений позволяет достоверно определить следующие параметры:

• средний гидродинамический размер частиц
• ширину распределения (индекс полидисперсности)
• асимметрию распределения

Для многомодальных систем, содержащих несколько фракций различных размеров, анализ позволяет установить средние размеры частиц каждой отдельной компоненты и оценить относительный вклад каждой фракции в общую интенсивность рассеянного света. Принципиально важно учитывать, что два близких по размеру компонента полидисперсной системы могут быть разрешены в виде отдельных пиков только в том случае, если их размеры отличаются друг от друга не менее чем в два-три раза.

Микрореологические исследования и определение вязкости

Уравнение Стокса-Эйнштейна демонстрирует, что метод динамического рассеяния света применим не только для измерения размеров неизвестных частиц, но и для решения обратной задачи — определения вязкости жидкости. Если в исследуемую среду помещены дисперсные частицы с заранее известным и строго контролируемым размером, то измеренное характерное время флуктуаций позволяет рассчитать вязкость окружающей жидкости.

Данный подход открывает возможности для изучения микрореологических свойств сложных сред. Микрореологическая вязкость, определяемая на уровне наноразмерных зондов, может существенно отличаться от макроскопической вязкости, измеряемой традиционными вискозиметрами. Это особенно актуально для структурированных полимерных растворов, гелей, биологических жидкостей и других неньютоновских сред, где локальная динамика молекул не совпадает с объёмным течением.

Лазерная доплеровская анемометрия

Метод динамического рассеяния света также применяется для измерения скоростей потоков жидкостей и газов. Данная конфигурация метода традиционно носит название лазерной доплеровской анемометрии. В контексте характеризации наночастиц этот принцип используется для измерения электрофоретической подвижности заряженных объектов во внешнем электрическом поле, на основании чего впоследствии рассчитывается их дзета-потенциал, характеризующий электростатическую стабильность коллоидной системы.

Измерение в концентрированных и непрозрачных средах

Стандартное измерение размеров частиц в анализаторе Photocor Compact проводится при угле рассеяния 90 градусов. Эта геометрия оптимальна для разбавленных и прозрачных растворов, где многократное рассеяние фотонов не искажает результаты. Однако многие практические задачи требуют работы с концентрированными, мутными или сильно поглощающими свет дисперсиями.

Для таких случаев предусмотрена возможность установки модуля обратного рассеяния, позволяющего проводить регистрацию сигнала под углом 160 градусов. Геометрия обратного рассеяния минимизирует оптический путь, который проходит рассеянный свет внутри образца, тем самым подавляя паразитные эффекты многократного переотражения. Это делает возможным получение достоверных данных о размерах частиц непосредственно в концентрированных эмульсиях, суспензиях, красках и иных непрозрачных системах без необходимости их предварительного разбавления.

Ключевые функциональные особенности прибора

• Абсолютный метод измерения размеров наночастиц посредством динамического рассеяния света, не требующий предварительной калибровки по эталонным стандартам
• Поддержка режима обратного рассеяния для анализа концентрированных и непрозрачных дисперсий
• Высокая скорость получения результатов и отличная воспроизводимость серийных измерений
• Простота подготовки проб и минимальный требуемый объём образца
• Совместимость с широким спектром квадратных, цилиндрических и проточных микрокювет благодаря большому выбору адаптеров
• Высокочувствительная система детектирования одиночных фотонов на базе лавинного фотодиода
• Прецизионное термостатирование кюветного отделения с возможностью программирования скоростей нагрева и охлаждения
• Интегрированный макроязык в составе программного обеспечения для полной автоматизации длительных и рутинных процедур
• Универсальный интерфейс USB для быстрого подключения к любому вычислительному устройству

Технические характеристики

• Диапазон измерения размеров частиц: от 0,5 нм до 10 мкм (диаметр), фактический диапазон зависит от оптических характеристик конкретного образца
• Диапазон измеряемых коэффициентов диффузии: от 10⁻⁵ до 10⁻¹⁰ см²/с
• Рабочий объём образца: от 50 мкл до 4 мл
• Углы регистрации рассеяния: 90° (базовый), 160° (опция для концентрированных дисперсий)
• Анализ сигналов: встроенный коррелятор для авто- и кросскорреляционных измерений; поддержка линейной и логарифмической (мульти-тау) шкал времени; минимальное время выборки 10 нс
• Источник излучения: термостабилизированный полупроводниковый лазер с длиной волны 638 нм и мощностью 25 мВт (по согласованию возможна установка источника с иными параметрами)
• Система термостатирования: термоэлектрический модуль Пельтье, рабочий диапазон от 5 °С до 90 °С, погрешность поддержания температуры 0,1 °С
• Габаритные размеры: 350 × 360 × 150 мм
• Масса прибора: 10 кг
• Электропитание: 220 (230) В переменного тока
• Потребляемая мощность: 60 Вт

Корреляционная обработка сигналов

Сердцем электронной системы обработки данных в Photocor Compact является встроенный цифровой коррелятор. Устройство выполняет вычисление автокорреляционных и кросскорреляционных функций в режиме реального времени. Наличие двух шкал времени — линейной и логарифмической (мульти-тау) — обеспечивает одновременное разрешение как быстрых, так и медленных релаксационных процессов в рамках одного эксперимента.

Минимальное время выборки, составляющее 10 наносекунд, позволяет регистрировать высокочастотные флуктуации, характерные для ультрамалых наночастиц и низкомолекулярных соединений с высокими коэффициентами диффузии. Логарифмическая шкала мульти-тау автоматически увеличивает шаг каналов задержки по мере роста времени, что даёт возможность охватить широкий динамический диапазон без потери разрешения на коротких временах.

Термостатирование и контроль температуры

Поскольку расчёт гидродинамического радиуса по формуле Стокса-Эйнштейна напрямую зависит от абсолютной температуры и вязкости среды, стабильность температурного режима является критическим условием точности измерений. Photocor Compact оснащён термоэлектрическим модулем, обеспечивающим поддержание температуры кюветного отделения в диапазоне от 5 °С до 90 °С с погрешностью не более 0,1 °С.

Программное обеспечение анализатора позволяет задавать программируемые скорости нагрева и охлаждения. Это открывает широкие возможности для проведения температурных сканирований, изучения кинетики фазовых переходов, определения температур плавления полимерных мицелл, денатурации белков и термообратимой агрегации наночастиц.

Автоматизация измерений и программное обеспечение

Программное обеспечение Photocor Compact содержит встроенный макроязык, предоставляющий пользователю инструменты для создания пользовательских сценариев работы. Автоматизация процесса измерений особенно востребована при выполнении серийных анализов, длительных кинетических исследований и мониторинга процессов агрегации в реальном времени.

Макроязык позволяет программировать последовательности действий прибора, включая управление температурными профилями, переключение режимов накопления данных, сохранение результатов и запуск циклических измерений без участия оператора. Конструкция кюветного отделения и обширный набор адаптеров обеспечивают совместимость с различными типами расходных материалов, включая квадратные и цилиндрические стеклянные кюветы, а также проточные микрокюветы для интеграции с хроматографическими системами.

Области применения анализатора

1. Нанотехнологии — характеризация металлических, оксидных и полимерных наночастиц, контроль синтеза и оценка степени агрегации
2. Биохимия и биофизика — определение размеров белковых глобул, липосом, вирусных капсидов, комплексов нуклеиновых кислот
3. Полимерная химия — измерение молекулярной массы и гидродинамических радиусов синтетических и природных макромолекул
4. Фармацевтика — контроль дисперсного состава нанолекарств, суспензий, эмульсий и липосомальных препаратов
5. Пищевая промышленность — исследование мицелл казеина, жировых глобул, стабилизации пищевых эмульсий
6. Нефтехимия — анализ дисперсных систем на основе тяжёлых нефтяных фракций, битумов и асфальтенов
7. Микрореология — изучение локальных вязкоупругих свойств сложных структурированных жидкостей и гелей
8. Наука о коллоидах — фундаментальные исследования броуновского движения, межчастичных взаимодействий и кинетики коагуляции

Соответствие международным стандартам и национальным нормативным документам

Методики измерений, реализуемые на базе анализатора Photocor Compact, отвечают требованиям ряда международных и национальных стандартов, регулирующих методы гранулометрического анализа и характеризации наноматериалов:

• ISO 22412:2008 «Particle size analysis — Dynamic light scattering (DLS)» — основной международный стандарт, определяющий методику измерения размеров частиц методом динамического рассеяния света
• ISO 13321:1996 «Particle size analysis — Photon correlation spectroscopy» — стандарт, описывающий применение фотонной корреляционной спектроскопии для анализа дисперсных систем
• ISO 9276-1:1998 «Representation of results of particle size analysis — Part 1: Graphical representation» — правила графического представления результатов гранулометрического анализа
• ISO 9276-2:2001 «Representation of results of particle size analysis — Part 2: Calculation of average particle sizes/diameters and moments from particle size distributions» — методы расчёта средних размеров и моментов распределений
• ГОСТ Р ИСО 22412-2021 «Анализ дисперсного состава. Динамическое светорассеяние» — национальный стандарт Российской Федерации, гармонизированный с международным документом ISO 22412
• ГОСТ Р 57269-2016 «Нанотехнологии. Измерение размеров наночастиц методом динамического светорассеяния» — российский стандарт, устанавливающий требования к проведению измерений наночастиц
• ГОСТ Р 8.775-2011 «ГСИ. Дисперсный состав нанопорошков. Методики определения» — стандарт в области метрологического обеспечения измерений нанопорошков
• ГОСТ 28840-90 «Машины для испытания материалов. Общие технические требования» — общие нормативы, применяемые к испытательному оборудованию
• СТБ ISO 22412-2020 «Аналіз дысперснага складу. Дынамічнае рассейванне святла» — государственный стандарт Республики Беларусь, являющийся идентичным принятием ISO 22412
• СТБ 2245-2012 «Нанатэхналогіі. Тэрміны і азначэнні» — терминологический стандарт в области нанотехнологий Республики Беларусь
• СТБ ЕН 481-2009 «Атмасфера рабочай зоны. Вызначэнне фракцыйнага складу аэразольных часціц» — стандарт Республики Беларусь для смежных задач характеризации аэрозолей

Следование указанным нормативным документам гарантирует метрологическую обоснованность, прослеживаемость и воспроизводимость результатов, получаемых с использованием Photocor Compact, что особенно важно при проведении сертификационных испытаний и публикациях в рецензируемых научных изданиях.

Рекомендации по подготовке образцов

Достоверность результатов, получаемых методом динамического рассеяния света, в значительной степени зависит от качества подготовки исследуемого образца. Для минимизации артефактов рекомендуется соблюдать ряд базовых правил:

• Растворы и суспензии должны быть очищены от пылевых включений и крупных агломератов путём мембранной фильтрации или центрифугирования перед внесением в кювету
• Концентрация дисперсной фазы подбирается таким образом, чтобы избежать эффектов многократного рассеяния при измерениях под углом 90 градусов
• Для концентрированных систем без разбавления следует использовать модуль обратного рассеяния под углом 160 градусов
• Кюветы необходимо тщательно промывать и визуально контролировать на отсутствие царапин и загрязнений оптических окон
• Перед началом записи корреляционной функции образец следует выдержать в термостате до достижения полного теплового равновесия
• Вязкость и показатель преломления чистого растворителя должны быть точно известны при заданной температуре для корректного расчёта по формуле Стокса-Эйнштейна

Анализатор Photocor Compact является высокоэффективным инструментом для характеризации субмикронных и наноразмерных объектов в жидких средах. Реализация метода динамического рассеяния света в сочетании с высокочувствительным лавинным фотодиодом, цифровым коррелятором с минимальным временем выборки 10 нс и прецизионным термоэлектрическим термостатированием обеспечивает точное определение гидродинамических радиусов в диапазоне от 0,5 нм до 10 мкм. Возможность расширения функционала за счёт модуля обратного рассеяния, поддержка разнообразных форматов кювет и встроенные средства автоматизации делают прибор оптимальным решением для широкого спектра задач в физике, химии, биологии и материаловедении. Полное соответствие методик международным стандартам серии ISO и национальным ГОСТам Российской Федерации и Республики Беларусь подтверждает высокую метрологическую культуру выполняемых измерений.