Nguyên lý đo kích thước hạt DLS
Phương pháp đo kích thước hạt DLS tán xạ ánh sáng động (Dynamic light scattering) là công cụ rất mạnh để nghiên cứu các thông số hạt dựa trên hành vi khuếch tán của các phân tử trong dung dịch.
Trong phương pháp đo kích thước hạt DLS, khi các hạt được phân tán trong chất lỏng, chúng chuyển động ngẫu nhiên theo mọi hướng. Các hạt liên tục va chạm trong dung dịch theo nguyên tắc của chuyển động Brown. Chuyển động của các hạt phân tán tạo ra sự thay đổi liên tục về khoảng cách của các ánh sáng tán xạ theo thời gian, tín hiệu quang này được thu nhận và chuyển đổi thành thông tin về kích thước hạt và phân bố kích thước hạt trong dung dịch. Ngoài ra, còn có thể phân tích kích thước hạt bằng phương pháp tán xạ ánh sáng tĩnh SLS (tìm hiểu thêm về kỹ thuật phân tích này tại đây).
Chuyển động ngẫu nhiên này được mô hình hóa bởi phương trình Stokes-Einstein. Dưới đây, phương trình được đưa ra ở dạng:
Trong đó:
- DH: đường kính thủy động lực học [m]
- kB: hằng số Boltzmann [m²kg/Ks²]
- T: nhiệt độ nhiệt động lực học [K]
- η: độ nhớt động lực học [Pa.s]
- Dt: hệ số khuếch tán tịnh tiến
Thiết lập hệ thống đo kích thước hạt DLS
Hệ thống đo và phân tích kích thước hạt tán xạ ánh sáng động DLS cơ bản được thiết lập như trên Hình 1. Máy đo DLS chỉ có khả năng đo chất lỏng huyền phù. Vì vậy, để đo mẫu rắn, mẫu phải được phân tán thành dạng huyền phù. Để phân tán thành dạng huyền phù, mẫu rắn cần được trộn lẫn cùng với dung môi và chất hoạt động bề mặt. Nếu mẫu bị kết tụ, mẫu cần được phân tán bằng cách sử dụng siêu âm, có thể đặt một đầu phát siêu âm trong mẫu hoặc đặt mẫu trong bể siêu âm. Các mẫu bị kết tụ nhiều nên sử dụng đầu phát siêu âm đặt trong mẫu vì có khả năng đồng hóa mẫu mạnh hơn nhiều so với bể siêu âm.
Ngoài ra dung môi cũng cần được đảm bảo loại bỏ các hạt có kích thước lớn bằng cách lọc để tránh ảnh hưởng tới sự tán xạ của mẫu đo. Bên cạnh đó trước khi bắt đầu đo, cuvet chứa mẫu cần được làm sạch và loại bỏ tạp chất, tạp chất sẽ làm ảnh hưởng tới sự tán xạ của các hạt trong mẫu cần đo và làm sai lệch kết quả.
Khi tiến hành thí nghiệm, nguồn sáng là tia laser tần số đơn được hướng tới mẫu chứa trong cuvet. Tín hiệu ánh sáng tán xạ được thu thập bằng một trong hai cảm biến quang (Hình 2), ở góc tán xạ 90 độ (góc phải) hoặc 173 độ (góc sau). Việc cung cấp cả hai cảm biến cho phép linh hoạt hơn trong việc lựa chọn các điều kiện đo. Tín hiệu quang học thu được cho thấy những thay đổi ngẫu nhiên do vị trí tương đối thay đổi khi các hạt chuyển động. Điều này được thể hiện dưới dạng giản đồ trong biểu đồ bên dưới.
Nguồn laser thường bị suy giảm bởi một bộ lọc màu xám được đặt giữa laser và cuvet. Khi đo các mẫu đục, máy dò sẽ không thể xử lý lượng photon nhận được. Do đó, ánh sáng laser cần được suy giảm để máy nhận được tín hiệu đủ để có thể xử lý được tại cảm biến quang học.
Nếu có các hạt trong mẫu, ánh sáng laser tới sẽ bị phân tán theo mọi hướng. Ánh sáng tán xạ được phát hiện ở một góc nhất định theo thời gian và tín hiệu này được sử dụng để xác định hệ số khuếch tán và kích thước hạt bằng phương trình Stokes-Einstein thông qua bộ xử lý.
Các kết quả thu được thông qua phương pháp đo bằng DLS
Phân bố kích thước hạt
Phương pháp tán xạ ánh sáng DLS có thể xác định sự phân bố kích thước hạt (Particle size distribution – PSD) trong một phạm vi kích thước rộng và so sánh gần đúng số lượng hạt trong các mẫu khác nhau thông qua cường độ tán xạ. Phân bố kích thước hạt là một chuỗi các giá trị, biểu đồ hoặc một hàm toán học cho biết kích thước của các hạt, số lượng hoặc tỷ lệ hiện diện trong hệ.
Các hạt trong dung dịch có kích thước không hoàn toàn giống nhau, vì rất khó tạo ra các hạt có kích thước chính xác. Do đó, trong bất kỳ huyền phù nào cũng sẽ có một số hạt có đường kính rộng, và có hình dạng hoặc mật độ khác nhau. Một cách để tính đến sự phân bố kích thước là sử dụng hàm tương quan điện trường với một hàm phân bố chuẩn hóa, p(D), cho độ nhiễu xạ của các hạt có kích thước khác nhau.
Kích thước trung bình Z
Kích thước của một hạt có thể được xác định thông qua phương pháp đo DLS, từ vài μm đến vài nm, một cách rất nhanh chóng và dễ dàng. Các kích thước được xác định trong phép đo DLS được gọi là đường kính thủy động lực học, chúng thường lớn hơn một chút so với kích thước thực thu được từ các phép đo tĩnh. Kích thước hạt của mẫu không được đo trực tiếp mà dựa trên chuyển động của các hạt. Thuật ngữ đường kính thủy động dùng để chỉ kích thước hạt của các hạt mịn, hình cầu, khuếch tán cùng tốc độ với các hạt của mẫu. Đây là điểm đặc biệt của phép đo DLS được so sánh với các kỹ thuật khác, liên quan đến các thông số vật lý khác nhau của mẫu.
Kích thước hạt thu được từ phân tích DLS thường được biểu thị dưới dạng trung bình Z. Trung bình Z phát sinh khi dữ liệu DLS được phân tích bằng cách sử dụng kỹ thuật tích lũy. Vì việc tính toán trung bình Z là ổn định về mặt toán học, kết quả trung bình Z ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu và điều đó làm cho nó trở thành một tham số kích thước hạt quan trọng.
Kích thước trung bình Z được tính toán thông qua:
Trong đó:
- Dz: kích thước trung bình Z (nm)
- Dt,avg: hệ số khuếch tán tịnh tiến trung bình [m²/s]
- kB:hằng số Boltzman [m²kg/Ks²]
- T: nhiệt độ nhiệt động lực học (K)
- η: độ nhớt động lực học [Pa.s]
Thế Zeta
Thế Zeta (Zeta potential) là điện tích trên một hạt tại mặt phẳng cắt. Giá trị này của điện tích bề mặt rất hữu ích để dự đoán tương tác giữa các hạt trong huyền phù. Điện thế zeta của một mẫu thường được sử dụng làm chỉ số về độ ổn định phân tán. Điện thế zeta lớn dự đoán sự phân tán ổn định hơn và ngược lại.
Ứng dụng của máy phân tích kích thước hạt trong nghiên cứu và sản xuất quy mô công nghiệp
Các dòng máy HORIBA đã chứng minh khả năng đo nhanh với kết quả có độ chính xác cao trong phân tích kích thước hạt và phân bố cỡ hạt trong sản xuất thực phẩm – đồ uống, mỹ phẩm và dược phẩm như:
- 12 lĩnh vực cần sử dụng máy đo kích thước hạt
- Quá trình đồng hóa sữa
- Kiểm soát cỡ hạt trong sản xuất dược phẩm
- Đo cỡ hạt nano – TiO2 trong mỹ phẩm
- Đo kích thước hạt trong cà phê – socola – cacao – bột cà phê hòa tan
- Phân tích cỡ hạt đường – nhũ tương – mayonnaise
- Kiểm soát chất lượng giấy
- Kiểm soát cỡ hạt màu pigment
- Ứng dụng trong quá trình sản xuất cement (xi măng)
Máy phân tích kích thước hạt DLS tiên tiến của HORIBA
REDLAB hiện là đại lý phân phối dòng thiết bị phân tích/ đo kích thước hạt DLS của HORIBA Việt Nam. Bên cạnh dòng máy sử dụng phương pháp DLS, HORIBA cũng cung cấp các dòng máy đo cỡ hạt bằng phương pháp tán xạ laser SLS, bao gồm LA-960V2 và LA-350.
Thiết bị phân tích kích thước hạt SZ-100S2 HORIBA phân tích hai thông số đặc trưng cho các hạt nano: kích thước hạt và trọng lượng phân tử. Thiết bị phân tích SZ-100Z2 HORIBA có khả năng phân tích tới ba thông số đặc trưng: kích thước hạt, thế zeta và trọng lượng phân tử.
Hai sản phẩm đo DLS đến từ HORIBA có các thông số kỹ thuật:
- Phạm vi đo kích thước hạt: 0,3 nm đến 10 µm.
- Trọng lượng phân tử: 1000 đến 2×10^7 Da (Đồ thị Debye) và 5.4×10^2 đến 2×10^7 Da (Phương trình MHS).
Đặc biệt SZ-100Z2 HORIBA có khả năng đo thế Zeta từ – 500 đến + 500 mV.
Nguồn tham khảo:
– (2019) Sven Falke, Christian Betzel, Chapter 6 Dynamic Light Scattering (DLS): Principles, Perspectives, Applications to Biological Samples, Radiation in Bioanalysis (pp.173-193).
– (2013) Erika Eiser, Dynamic Light Scattering, Multi Length-Scale Characterisation.
REDLAB – FOR YOUR LABORATORY
Công ty TNHH Redlab là đối tác đáng tin cậy cho phòng LAB của bạn, chúng tôi cung cấp:
- Thiết bị và vật tư tiêu hao
- Tư vấn, thiết kế và lắp đặt nội thất phòng thí nghiệm
- Dịch vụ sửa chữa – bảo trì – bảo dưỡng thiết bị
Mời bạn xem thông tin sản phẩm và đặt hàng các thiết bị tại cửa hàng trực tuyến của RedLAB tại đây: online-store.redlab.com.vn hoặc tham khảo thêm các sản phẩm thiết bị phòng thí nghiệm khác trên website: redlab.com.vn
Để được tư vấn sản phẩm, mời bạn liên hệ HOTLINE: 0889 973 944.