اندازه مواد و یا ذرات سازنده آنها از مهم‌ترین ویژگی‌های یک ماده در نظر گرفته می‌شود و از گذشته تاکنون همواره مورد بررسی و آزمون قرار گرفته است. در بسیاری از کاربردهای آنالیز مواد، اطلاعات اندازه و شکل ذرات، شاخص‌های مهم فرایند تولید و کیفیت مواد هستند. امروزه ابزارهایی وجود دارند که امکان تعیین اندازه و توزیع اندازه ذرات را امکان‌پذیر می‌کنند. نکته حائز اهمیت این است که بدانیم دستگاه‌های متفاوت، بر مبنای مدل‌های فیزیکی و یا روش‌های شیمیایی متفاوتی پایه‌گذاری شده‌اند، و بنابراین تفاوت‌هایی در ساختار اندازه‌گیری ابزارهای مختلف وجود دارد. در این مقاله قصد داریم به معرفی چند مورد از روش‌های فیزیکی پرکاربرد و تجاری شده در زمینه تعیین اندازه ذرات بپردازیم.
از مهم‌ترین روش‌های تعیین اندازه و شکل ذرات می‌توان به پراکندگی دینامیکی نور، پراش لیزری، تحلیل تصویر پویا و تحلیل تصویر ایستا اشاره کرد. براساس سیستم فیزیکی مورد استفاده در هر روش، محدوده قابل تشخیص اندازه ذرات با این تکنیک‌ها، متفاوت است که در تصویر زیر مشخص شده است. مقایسه ارائه شده در تصویر برای دستگاه‌های شرکت معتبر و پیشرو میکروترک (Microtrac MRB) انجام شده است که قابل تعمیم به دستگاه‌های مشابه و محصولات تجاری شرکت‌های دیگر نیز می‌باشد.
روش پراش لیزری
روش پراش لیزری (LD)Laser Diffraction که در مواردی روش پراکندگی استاتیکی نور (Static light scattering, SLS) نیز نامیده می‌شود، بر مبنای اصول فیزیکی برهمکنش نور-ماده عمل می‌کند. در این روش نمونه توسط یک منبع نور تک‌رنگ، معمولاً لیزر، در معرض تابش نور قرار می‌گیرد. در اثر برهمکنش نور و ذرات نمونه، پرتوهای نور در تمام جهات پراکنده شده و توسط یک آشکارساز اپتیکی، اندازه‌گیری می‌شوند. طبق نظریه فرانوفر (Fraunhofer theory) توزیع پراش نور دارای مقادیر حداکثر و حداقل در زوایای مشخصی می‌باشد. نظریه فرانوفر معمولا برای پراش از ذراتی که سایزی بزرگتر از طول موج نور دارند، استفاده می‌شود.
با این حال، این روش برای ذرات کوچکتر چندان کاربردی ندارد، زیرا در اینجا خواص نوری ذرات نیز بر توزیع شدت تأثیر می‌گذارد. این ویژگی‌های نوری، در درجه اول ضریب شکست، باید برای ارزیابی توزیع اندازه ذرات شناخته شوند. این نوع ارزیابی با توجه به نظریه می (Mie theory) انجام می‌شود. طبق این نظریه اگر سایز ذرات در بازه 0.1-2 برابر طول موج لیزر باشد، شدت نور پراکنده با افزایش سایز ذرات و همچنین با افزایش زاویه کاهش می‌یابد. اما برای ذراتی که به اندازه کافی کوچک هستند، کوچکتر از 0.05 طول موج لیزر، شدت پراکندگی تقریبا مستقل از زاویه است. در این حالت گفته می‌شود که پراکندگی همگسانگرد است، همانطور که در شکل مقابل نشان داده شده است، و بر اساس نظریه ریلی (Rayleigh theory) توصیف می‌شود.
در روش LD، شدت پراکندگی در زوایای مختلف اندازه گیری می‌شود. در این روش آشکارساز اغلب بر روی یک گونیومتر (goniometer) نصب می‌شود که امکان کنترل زاویه‌ای که در آن نور پراکنده ثبت می‌شود را فراهم می‌کند. برای نمونه مورد بررسی، با اندازه گیری شدت نور پراکنده به عنوان تابعی از زاویه پراکندگی، می‌توان اندازه ذره (Particle size) و همچنین وزن ملکولی (Molecular weight) آنها را اندازه‌گیری کرد.
پراکندگی دینامیکی نور
روش پراکندگی دینامیکی نور Dynamic Light Scattering (DLS)، که با عنوان تفرق نور پویا نیز ترجمه شده است، یکی از روش‌های شناخته شده برای تعیین اندازه ذرات که در محدودهٔ میکرومتر تا نانومتر هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش فیزیکی و غیرمخرب، که مانند روش LD بر اساس برهمکنش نور با ذره عمل می‌کند، ذرات در حالت محلول و یا سوسپانسیون قرار گرفته و سپس در معرض تابش نور قرار می‌گیرند. نوسانات تصادفی در شدت نور پراکنده شده که ناشی از حرکت براونی ذرات است، با بررسی تابع خودهمبستگی، تجزیه و تحلیل می‌شود تا اندازه متوسط و بس‌پراکندگی (عرض توزیع) ذرات به دست آید. یک دستگاه DLS به طور کلی توانایی اندازه‌گیری سه مشخصه از ذرات یا ملکول‌ها را دارد. این سه پارامتر بنیادی عبارتند از :اندازه ذره (Particle size)، پتانسیل زتا (Zeta potential)و وزن ملکولی (Molecular weight). در مقاله بررسی تکنیک پراکندگی دینامیکی نور (DLS) در آنالیز ذرات، به طور مفصل به این تکنیک پرکاربرد پرداخته شده است.
تفاوت بین روش پراکندگی دینامیکی و استاتیکی نور
1) با وجود شباهت اصل فیزیکی دو روش ذکر شده (پراکندگی نور از ذرات)، چیدمان یک دستگاه پراکندگی استاتیک و دینامیک به طور متفاوتی بهینه می‌شوند. در روش پراکندگی استاتیکی یا پراش لیزری، شدت متوسط نور پراکنده در زوایای مختلف (معمولا بین 10 تا 100 درجه) اندازه گرفته می‌شود. شدت متوسط از میانگین‌گیری بر روی شدت پراکنده در حداقل یک ثانیه یا بیشتر بدست می‌آید. اطلاعات مربوط به سایز ذرات در نحوه تغییرات پراکندگی بر اساس زاویه نهفته است. 2) در روش پراکندگی دینامیکی، شدت نور پراکنده در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه (نانو یا میکروثانیه) و معمولا در یک زاویه پراکندگی مشخص، اندازه‌گیری می‌شود. در یک مقایسه ساده، در حالیکه در روش SLS در هر ثانیه یک دیتای شدت متوسط وجود دارد، در روش DLS در یک ثانیه، چیزی حدود 5000000 داده اندازه‌گیری شده از شدت پراکندگی لحظه‌ای، وجود خواهد داشت.
روش تحلیل تصویر
روش‌های مدرن آنالیز ذرات مبتنی بر تجزیه و تحلیل تصویر ذرات است. بر خلاف روش‌های ذکر شده قبلی که روش‌های آنسامبلی هستند، زیرا نتایج از بررسی رفتار مجموعه ذرات نمونه استخراج می‌شود، روش‌های تحلیل تصویر براساس بررسی تک ذرات عمل می‌کنند. با تحلیل تصویر، بسیاری از پارامترهای مورفولوژیکی مختلف را می‌توان ثبت و به صورت کمی برای همه ذرات شناسایی شده ارزیابی کرد. توزیع اندازه ذرات می تواند بر اساس پارامترهای مختلف اندازه مانند عرض ذرات، طول ذرات یا قطر دایره معادل، انجام شود. تحلیل تصویر همچنین می تواند برای تجزیه و تحلیل شکل ذرات استفاده شود، به عنوان مثال برای مشخص کردن پارامترهایی مانند گرد بودن، دایره بودن، نسبت ابعاد، محدب بودن، تقارن داشتن و بسیاری موارد دیگر که در روش‌های آنسامبلی قابل اندازه‌گیری نیست. اما روش تجزیه و تحلیل تصویر چگونه عمل می‌کند؟ سه مرحله اساسی در روش تحلیل تصویر وجود دارد:
1) آماده‌سازی و پراکنده کردن نمونه: در سیستم‌های تحلیل مورفولوژیکی ذرات، هر دو نوع نمونه، مرطوب و خشک را می‌توان مورد بررسی قرار داد. برای دستیابی به جداسازی فضایی ذرات، اطمینان از پراکندگی مناسب نمونه در مقابل سیستم تصویربرداری بسیار مهم است. در دستگاه‌هایی که براساس نمونه پودری (خشک) کار می‌کنند، یک پخش کننده پودر خشک تعبیه شده درون سیستم، امکان پراکندگی آسان و قابل تکرار نمونه‌های پودر خشک را فراهم می‌کند. معمولا شرایط پراکندگی برای طیف وسیعی از انواع مواد بهینه می‌شود تا از آسیب ذرات شکننده جلوگیری کند در حالی که از پراکندگی خوب مواد متراکم شده نیز اطمینان حاصل شود. این امر برای تولید تصویر خوب، نکته کلیدی است.
2) ثبت تصویر: نمونه در یک سیستم تصویربرداری اسکن می‌شود، در حالی که ذرات را در نقطه فوکوس تصویر نگه می‌دارد، از آنها به صورت جداگانه عکس می‌گیرد. سپس تصاویر پردازش شده و انواع پارامترهای مورفولوژیکی محاسبه می‌شوند. با توجه به نرخ بالای تصویربرداری (60 تا 320 تصویر در ثانیه، بسته به دستگاه)، تعداد زیادی ذرات در مدت زمان بسیار کوتاهی ارزیابی می‌شوند.
3) تحلیل داده‌ها: پس از پردازش تصویر، نمودارهای پیشرفته و طبقه‌بندی داده‌ها در نرم افزار انجام می‌شود و استخراج داده‌های مورد نیاز از اندازه گیری، از طریق رابط بصری به طور ساده نمایش داده می‌شود.
سیستم‌های تجزیه و تحلیل تصویر معمولاً به عنوان روش‌های تصویربرداری پویا و ایستا طبقه‌بندی می‌شوند.
تحلیل تصویر ایستا
در روش ایستا (Static Image Analysis)، ذرات به صورت پراکنده شده بر روی یک نگهدارنده قرار داده می‌شوند و در حین تصویربرداری، نسبت به دوربین حرکت نمی‌کنند (مانند سیستم میکروسکوپی). نمونه می‌تواند از پایین یا بالا نوردهی شود، و از سمت دیگر تصویر نمونه ثبت گردد. تحلیل تصویر ایستا عمدتا برای اندازه‌گیری نمونه‌هایی با توزیع اندازه باریک و با تمرکز بر مشخصه‌یابی ذرات بسیار ریز استفاده می‌شود. این روش تصاویری با وضوح بالا ارائه می‌دهد که امکان توصیف اندازه و شکل ذرات را با حداکثر دقت فراهم می‌کند و عمدتا در کاربردهای تحقیقاتی استفاده می‌شود.
تحلیل تصویر پویا
در تحلیل تصویر پویا (Dynamic Image Analysis)، جریانی از ذرات متحرک ایجاد می‌شود که توسط یک سیستم تصویرنگاری (دوربین) ثبت می‌شود. بنابراین ذرات در حین گرفتن تصویر در حال حرکت هستند. در بیشتر موارد، تجزیه و تحلیل تصویر پویا شامل نوردهی جریان ذرات توسط منبع نوری از یک طرف و ثبت تصاویر ذرات به صورت سایه-مانند از سمت دیگر است. ذرات یا در حالت سقوط آزاد (در مورد گرانولهای آزاد و قابل ریختن)، یا در مایع و یا در جریان هوا حرکت می‌کنند، که جداسازی ذرات را حتی برای پودرهای تجمع‌یافته تضمین می‌کند. برای ثبت تصویر، به زمان‌های نوردهی کوتاه و نرخ تصویربرداری بالا برای دستیابی به قدرت تشخیص ذرات در طول مسیر و جلوگیری از تارشدن تصویر در اثر حرکت، نیاز است. این روش با توان نمونه بالا (sample throughput) و قابلیت اطمینان و تکرارپذیری مناسب شناخته می‌شود. تجزیه و تحلیل تصویر پویا برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای مختلف مناسب است. بسیاری از صنایع در حال حاضر از مزایای روش تحلیل تصویر پویا استفاده می‌کنند ازجمله برای محصولات دارویی، غذا، کود، ماسه، مصالح ساختمانی، پلاستیک و هر صنعتی که با محصولات پودری یا دانه‌مانند (granulated) سرو کار دارد.
تفاوت بین روش تحلیل تصویر ایستا و پویا
همانطور که در تصویر مقابل نشان داده شده است، تفاوت اساسی بین تحلیل تصویر ایستا و پویا در این است که در روش پویا، ذرات از مقابل سیستم تصویربرداری نوری عبور می‌کنند، در حالی که در روش ایستا، نمونه درمقابل سیستم تصویربرداری ثابت می‌ماند. روش ایستا تصاویری با جزییات مفصل از تعداد کمتری ذره تولید می‌کند، در حالی که روش پویا می‌تواند تعداد بسیاری از ذرات را در زمان بسیار کوتاه ارزیابی کند.
در نتیجه، تکرارپذیری و احتمال تشخیص ذرات بزرگ با روش تحلیل تصویر پویا به طور قابل توجهی بیشتر است. در استفاده از این روش کاربران از زمان اندازه‌گیری کوتاه‌تر و در نتیجه توان نمونه بیشتر، سطح بالایی از اتوماسیون و حساسیت کمتر نسبت به خطاهای انسانی، سود می‌برند. حد پایین اندازه‌گیری در روش تحلیل تصویر پویا حدود 0.8 میکرومتر و بزرگترین ذرات قابل تشخیص 135 میلی‌متر است. در واقع حد پایین هر سیستم تحلیل تصویر با وضوح (رزولوشن) دوربین دستگاه محدود می‌شود و حد بالا نیز با اندازه میدان دید (field of view) سیستم تصویربرداری.
از مزایای روش‌های تحلیل تصویر در مقابل روش‌های پیشین مبتنی بر پراکندگی نور، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
-
قابلیت تمایز نمونه‌ها بر اساس شکل ذرات (به طور ویژه وقتی اندازه ذرات دو نمونه مشابه باشد).
-
تشخیص و/یا شمارش آگلومرات، ذرات بزرگ یا ذرات آلاینده.
-
اندازه گیری پارامترهای مختلف اندازه ذرات غیر کروی مانند بلورهای سوزنی شکل.
-
اعتبارسنجی برای روش‌های آنسامبلی تعیین اندازه ذرات مانند روش پراش لیزری.