Espectroscopia de ondas difusas

La espectroscopia de ondas difusoras ( DWS ) es una técnica óptica derivada de la dispersión dinámica de la luz (DLS) que estudia la dinámica de la luz dispersa en el límite de la fuerte dispersión múltiple. ^{[1] [2]} Se ha utilizado ampliamente en el pasado para estudiar suspensiones coloidales , emulsiones , espumas , geles, medios biológicos y otras formas de materia blanda . Si se calibra cuidadosamente, la DWS permite la medición cuantitativa del movimiento microscópico en un material blando, del cual se pueden extraer las propiedades reológicas del medio complejo a través del enfoque de microrreología .

Espectroscopia de onda difusa de una mota

La luz láser se envía a la muestra y la luz emitida, transmitida o retrodispersada, es detectada por un sensor optoeléctrico. La intensidad de la luz detectada es el resultado de la interferencia de todas las ondas ópticas provenientes de las diferentes trayectorias de luz.

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  Configuración típica de espectroscopia de ondas difusas

La señal se analiza calculando la función de autocorrelación de intensidad denominada g ₂ . ${\displaystyle g_{2}(\tau )={\frac {\langle I(t)I(t+\tau )\rangle _{t}}{\langle I(t)\rangle _{t}^{2}}}}$

Para el caso de partículas no interactuantes suspendidas en un fluido (complejo), se puede establecer una relación directa entre g ₂ -1 y el desplazamiento cuadrático medio de las partículas <Δr ² >. Notemos P(s) como la función de densidad de probabilidad (PDF) de la longitud de la trayectoria del fotón s. La relación se puede escribir de la siguiente manera: ^[3]

${\displaystyle g_{2}(\tau )-1=[\int {dsP(s)\exp(-(s/l*)k_{0}^{2}\langle \Delta r^{2}(\tau )\rangle )}]^{2}}$

con y es el camino libre medio de transporte de la luz dispersa. ${\displaystyle k_{0}={\frac {2\pi n}{\lambda }}}$ ${\displaystyle l*}$

Para geometrías de celdas simples, es posible calcular analíticamente el desplazamiento cuadrático medio de las partículas <Δr ² > a partir de los valores g ₂ -1 medidos. Por ejemplo, para la geometría de retrodispersión, una celda infinitamente gruesa, una iluminación de punto láser grande y la detección de fotones provenientes del centro del punto, la relación entre g ₂ -1 y <Δr ² > es:

${\displaystyle g_{2}(\tau )-1=\exp \left(-2\gamma {\sqrt {\langle \Delta r^{2}(\tau )\rangle k_{0}^{2}}}\right)}$El valor γ es alrededor de 2.

Para células menos gruesas y en transmisión, la relación depende también de l* (la longitud de transporte). ^[4]

Para las células cuasi transparentes, un método variante independiente del ángulo llamado espectroscopia de dispersión amplificada de cavidad ^[5] utiliza una esfera integradora para sondear isótropamente las muestras desde todas las direcciones, alargando las trayectorias de los fotones a través de la muestra en el proceso, lo que permite el estudio de muestras de baja turbidez bajo el formalismo DWS.

Espectroscopia de ondas de difusión de múltiples motas (MSDWS)

Esta técnica utiliza una cámara para detectar muchos granos de moteado (ver patrón de moteado ) o un vidrio esmerilado para crear una gran cantidad de realizaciones de moteado (Echo-DWS ^[6] ). En ambos casos, se obtiene un promedio de una gran cantidad de valores de intensidad estadísticamente independientes, lo que permite un tiempo de adquisición de datos mucho más rápido.

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  Configuración típica de espectroscopia de ondas difusas multispeckle

${\displaystyle g_{2}(\tau )={\frac {\langle I(t)I(t+\tau )\rangle _{p}}{\langle I(t)\rangle _{p}^{2}}}}$

El MSDWS está especialmente adaptado para el estudio de dinámicas lentas y medios no ergódicos. Echo-DWS permite la integración perfecta del MSDWS en un esquema DWS tradicional con una resolución temporal superior de hasta 12 ns. ^[7] El procesamiento de imágenes adaptativo basado en cámaras permite la medición en línea de la dinámica de partículas, por ejemplo, durante el secado. ^[8]

Referencias

1. G. Maret; PE Wolf (1987). "Dispersión múltiple de luz a partir de medios desordenados. El efecto del movimiento browniano de los dispersores". Zeitschrift für Physik B . 65 (4): 409. Bibcode :1987ZPhyB..65..409M. doi :10.1007/BF01303762. S2CID  121962976.
2. DJ Pine; DA Weitz; PM Chaikin; E. Herbolzheimer (1988). "Espectroscopia de onda difusa". Physical Review Letters . 60 (12): 1134–1137. Bibcode :1988PhRvL..60.1134P. doi :10.1103/PhysRevLett.60.1134. PMID  10037950.
3. F. Scheffold ; et al. (2004). "Nuevas tendencias en microrreología óptica de fluidos y geles complejos" (PDF) . Progreso en la ciencia de polímeros y coloides . 123 : 141–146. doi :10.1007/b11748. ISBN 978-3-540-00553-7. Archivado desde el original (PDF) el 21 de julio de 2011.
4. DA Weitz; DJ Pine (1993). "Espectroscopia de ondas difusas". En W. Brown (ed.). Dispersión dinámica de la luz . Clarendon Press . págs. 652–720. ISBN 978-0-19-853942-1.
5. Graciani, Guillaume; King, John T.; Amblard, François (30 de agosto de 2022). "La espectroscopia de dispersión amplificada por cavidad revela la dinámica de proteínas y nanopartículas en muestras cuasitransparentes y en miniatura". ACS Nano . 16 (10): 16796–16805. arXiv : 2111.09616 . doi :10.1021/acsnano.2c06471. ISSN  1936-0851. PMID  36039927. S2CID  244345602.
6. "La técnica de dispersión de luz revela propiedades de sólidos blandos".
7. P. Zakharov; F. Cardinaux; F. Scheffold (2006). "Espectroscopia de ondas difusas de múltiples motas con un esquema de detección monomodo". Physical Review E . 73 (1): 011413. arXiv : cond-mat/0509637 . Bibcode :2006PhRvE..73a1413Z. doi :10.1103/PhysRevE.73.011413. PMID  16486146. S2CID  6251182.
8. L. Brunel; A. Brun; P. Snabre; L. Cipelletti (2007). "Interferometría adaptativa de imágenes de moteado: una nueva técnica para el análisis de la dinámica de la microestructura, los procesos de secado y la formación de recubrimientos". Optics Express . 15 (23): 15250–15259. arXiv : 0711.1219 . Bibcode :2007OExpr..1515250B. doi :10.1364/OE.15.015250. PMID  19550809. S2CID  5753232.

Enlaces externos

• Descripción general de la espectroscopia de ondas difusas con vídeo
• Descripción general de la espectroscopia de ondas difusas con animaciones Archivado el 20 de mayo de 2014 en Wayback Machine
• Dimensionamiento de partículas mediante espectroscopia de ondas difusoras Archivado el 20 de mayo de 2014 en Wayback Machine