Análisis de difracción láser.

Tecnología para medir dimensiones geométricas de partículas.

Analizador de difracción láser

El análisis de difracción láser , también conocido como espectroscopia de difracción láser , es una tecnología que utiliza patrones de difracción de un rayo láser que pasa a través de cualquier objeto con un tamaño que varía desde nanómetros hasta milímetros ^[1] para medir rápidamente las dimensiones geométricas de una partícula. Este proceso de análisis del tamaño de partículas no depende del caudal volumétrico , la cantidad de partículas que atraviesa una superficie a lo largo del tiempo. ^[2]

Teoría de Fraunhofer contra Mie

Partículas que se mueven a través del rayo láser paralelo extendido ^[3]

El análisis de difracción láser se basa originalmente en la teoría de la difracción de Fraunhofer , que afirma que la intensidad de la luz dispersada por una partícula es directamente proporcional al tamaño de la partícula. ^[4] El ángulo del rayo láser y el tamaño de las partículas tienen una relación inversamente proporcional, donde el ángulo del rayo láser aumenta a medida que el tamaño de las partículas disminuye y viceversa. ^[5] El modelo de dispersión de Mie , o teoría de Mie, se utiliza como alternativa a la teoría de Fraunhofer desde los años 1990.

Los analizadores de difracción láser comerciales dejan al usuario la opción de utilizar la teoría de Fraunhofer o la de Mie para el análisis de datos, de ahí la importancia de comprender las fortalezas y limitaciones de ambos modelos. La teoría de Fraunhofer sólo tiene en cuenta los fenómenos de difracción que se producen en el contorno de la partícula. Su principal ventaja es que no requiere ningún conocimiento de las propiedades ópticas ( índice de refracción complejo ) del material de la partícula. Por lo tanto, se suele aplicar a muestras de propiedades ópticas desconocidas o a mezclas de diferentes materiales. Para muestras de propiedades ópticas conocidas, la teoría de Fraunhofer sólo debe aplicarse a partículas de un diámetro esperado al menos 10 veces mayor que la longitud de onda de la fuente de luz y/o a partículas opacas. ^{[6] [7]}

La teoría de Mie se basa en medir la dispersión de ondas electromagnéticas en partículas esféricas. Por lo tanto, se tiene en cuenta no sólo la difracción en el contorno de la partícula, sino también los fenómenos de refracción, reflexión y absorción dentro de la partícula y en su superficie. ^[6] Por lo tanto, esta teoría es más adecuada que la teoría de Fraunhofer para partículas que no son significativamente más grandes que la longitud de onda de la fuente de luz y para partículas transparentes. La principal limitación del modelo es que requiere un conocimiento preciso del complejo índice de refracción (incluido el coeficiente de absorción) del material de la partícula. Generalmente se cree que el límite de detección teórico inferior de la difracción láser, utilizando la teoría de Mie, se sitúa en torno a los 10 nm.

Configuración óptica

El análisis de difracción láser generalmente se realiza mediante un láser rojo de He-Ne o un diodo láser , una fuente de alimentación de alto voltaje y un embalaje estructural. ^[8] Alternativamente, se pueden utilizar diodos láser azules o LED de longitud de onda más corta. La fuente de luz afecta los límites de detección, siendo los láseres de longitudes de onda más cortas más adecuados para la detección de partículas submicrónicas. La inclinación de la energía luminosa producida por el láser se detecta haciendo que un haz de luz atraviese un flujo de partículas dispersas y luego llegue a un sensor . Se coloca una lente entre el objeto que se analiza y el punto focal del detector, lo que provoca que solo aparezca la difracción del láser circundante. Los tamaños que el láser puede analizar dependen de la distancia focal de la lente , la distancia desde la lente hasta su punto de enfoque. A medida que aumenta la distancia focal, el área que el láser puede detectar también aumenta, mostrando una relación proporcional.

Se utilizan múltiples detectores de luz para recoger la luz difractada, que se colocan en ángulos fijos con respecto al rayo láser. Más elementos detectores amplían los límites de sensibilidad y tamaño. Luego se puede utilizar una computadora para detectar el tamaño de las partículas del objeto a partir de la energía luminosa producida y su distribución, que la computadora deriva de los datos recopilados sobre las frecuencias y longitudes de onda de las partículas . ^[5]

En términos prácticos, los instrumentos de difracción láser pueden medir partículas en suspensión líquida, utilizando un disolvente portador, o como polvos secos, utilizando aire comprimido o simplemente la gravedad para movilizar las partículas. Los sprays y aerosoles generalmente requieren una configuración específica. ^[9]

Resultados

Distribución del tamaño de partículas (densidad y subtamaño acumulativo) obtenida por difracción láser.

Distribución del tamaño de partículas ponderadas por volumen.

Debido a que la energía luminosa registrada por el conjunto de detectores es proporcional al volumen de las partículas, los resultados de la difracción láser están intrínsecamente ponderados en volumen. ^[10] Esto significa que la distribución del tamaño de las partículas representa el volumen de material de partículas en las diferentes clases de tamaño. Esto contrasta con los métodos ópticos basados ​​en el recuento, como la microscopía o el análisis dinámico de imágenes , que informan del número de partículas en las diferentes clases de tamaño. ^[11] Que la luz difractada sea proporcional al volumen de la partícula también implica que los resultados asumen la esfericidad de la partícula, es decir, que el resultado del tamaño de la partícula es un diámetro esférico equivalente . Por tanto, la forma de las partículas no puede determinarse mediante esta técnica.

La principal representación gráfica de los resultados de la difracción láser es la distribución del tamaño de las partículas ponderadas en volumen, ya sea representada como distribución de densidad (que resalta los diferentes modos) o como distribución acumulativa de tamaño insuficiente .

Los resultados numéricos

Los resultados numéricos de difracción láser más utilizados son:

• El diámetro mediano ponderado por volumen, o D 50 . Derivada de la curva acumulativa, representa el diámetro de partícula que separa el 50 % superior de los datos del 50 % inferior.
• Los valores D ₁₀ y D ₉₀ , también derivados de la curva acumulada.
• El diámetro medio ponderado por volumen, también denominado diámetro medio D[4,3] o De Brouckere .
• El intervalo, que da una medida del ancho de la distribución del tamaño de las partículas, y se calcula como intervalo = [D ₉₀ – D ₁₀ ]/D ₅₀ . ^[12]

Calidad de resultados y validación de instrumentos.

Tanto la ISO , en la norma ISO 13320:2020, ^[13] como la Farmacopea de los Estados Unidos , han definido estándares armonizados para la exactitud y precisión de las mediciones de difracción láser , en el capítulo USP <429>. ^[14]

Usos

El análisis de difracción láser se ha utilizado para medir objetos del tamaño de partículas en situaciones tales como:

•  observar la distribución de la textura del suelo y sedimentos como arcilla y barro , con énfasis en el limo y los tamaños de muestras más grandes de arcilla. ^[15]
•  Determinación de medidas in situ de partículas en estuarios . Las partículas en los estuarios son importantes porque permiten que las especies químicas naturales o contaminantes se muevan con facilidad. El tamaño, la densidad y la estabilidad de las partículas en los estuarios son importantes para su transporte. El análisis de difracción láser se utiliza aquí para comparar distribuciones de tamaño de partículas para respaldar esta afirmación, así como para encontrar ciclos de cambio en los estuarios que ocurren debido a diferentes partículas. ^[dieciséis]
•  suelo y su estabilidad cuando está mojado. La estabilidad de la agregación del suelo (grumos mantenidos unidos por arcilla húmeda) ^[17] y la dispersión de arcilla (arcilla que se separa en suelo húmedo), ^[18] los dos estados diferentes del suelo en la región de la sabana del Cerrado , se compararon con análisis de difracción láser para determinar si arar tuviera un efecto sobre los dos. Las mediciones se realizaron antes y después de arar en diferentes intervalos de tiempo. La dispersión de la arcilla resultó no verse afectada por el arado, mientras que la agregación del suelo sí. ^[19]
•  Deformabilidad de los eritrocitos bajo cizallamiento. ^[20] Debido a un fenómeno especial llamado pisada de tanque , ^[20] la membrana del eritrocito (glóbulo rojo, RBC) gira en relación con la fuerza de corte y el citoplasma de la célula , lo que hace que los glóbulos rojos se orienten. Los glóbulos rojos orientados y estirados tienen un patrón de difracción que representa el tamaño aparente de las partículas en cada dirección, lo que permite medir la deformabilidad de los eritrocitos y la orientabilidad de las células. En un ektacitómetro ^[21], la deformabilidad de los eritrocitos se puede medir bajo estrés osmótico cambiante o tensión de oxígeno y se utiliza en el diagnóstico y seguimiento de anemias hemolíticas congénitas . ^[22]

Comparaciones

Dado que el análisis de difracción láser no es la única forma de medir partículas, se ha comparado con el método de pipeta-tamiz, que es una técnica tradicional para el análisis del tamaño de grano . Cuando se compararon, los resultados mostraron que el análisis de difracción láser realizó cálculos rápidos que fueron fáciles de recrear después de un análisis único, no requirieron tamaños de muestra grandes y produjeron grandes cantidades de datos. Los resultados se pueden manipular fácilmente porque los datos están en una superficie digital. Tanto el método de pipeta tamiz como el análisis de difracción láser pueden analizar objetos minúsculos, pero el análisis de difracción láser resultó en tener una mayor precisión que su método homólogo de medición de partículas. ^[23]

Crítica

Se ha cuestionado la validez del análisis de difracción láser en las siguientes áreas: ^{[24] [25]}

•  supuestos que incluyen partículas que tienen configuraciones aleatorias y valores de volumen. En algunas unidades de dispersión, se ha demostrado que las partículas se alinean entre sí en lugar de tener un flujo turbulento , lo que hace que se dirijan en una dirección ordenada.
• Los algoritmos utilizados en el análisis de difracción láser no están completamente validados. En ocasiones, se utilizan diferentes algoritmos para recopilar suposiciones de coincidencia de datos hechas por los usuarios como un intento de evitar datos que parezcan incorrectos.
• imprecisiones en las mediciones debido a bordes afilados en los objetos. El análisis de difracción láser tiene la posibilidad de detectar partículas imaginarias en bordes afilados debido a los grandes ángulos que forman los láseres sobre ellas.
• en comparación con la recopilación de datos de imágenes ópticas , otra técnica de medición del tamaño de partículas, la correlación entre ambas fue pobre para las partículas no esféricas. Esto se debe al hecho de que las teorías subyacentes de Fraunhofer y Mie sólo cubren partículas esféricas. Las partículas no esféricas provocan patrones de dispersión más difusos y son más difíciles de interpretar. Algunos fabricantes han incluido algoritmos en su software que pueden compensar parcialmente las partículas no esféricas.

Ver también

• Tomografía de difracción
• Lista de artículos sobre láser.
• Distribución de tamaño de partícula

Referencias

1. "Informe sobre transporte de cereales, 24 de octubre de 2013". 2013-10-24. doi : 10.9752/ts056.10-24-2013 . {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
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