Análisis de difracción láser

Tecnología para medir dimensiones geométricas de partículas.

Analizador de difracción láser

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

Teoría de Fraunhofer vs. Teoría de Mie

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

El análisis de difracción láser se basa originalmente en la teoría de difracción de Fraunhofer , que establece que la intensidad de la luz dispersada por una partícula es directamente proporcional al tamaño de la partícula. ^[4] El ángulo del haz láser y el tamaño de la partícula tienen una relación inversamente proporcional, donde el ángulo del haz láser aumenta a medida que disminuye el tamaño de la partícula y viceversa. ^[5] El modelo de dispersión de Mie , o teoría de Mie, se utiliza como alternativa a la teoría de Fraunhofer desde la década de 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 solo tiene en cuenta los fenómenos de difracción que ocurren 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 aplica típicamente a muestras de propiedades ópticas desconocidas o a mezclas de diferentes materiales. Para muestras de propiedades ópticas conocidas, la teoría de Fraunhofer solo debe aplicarse para partículas de un diámetro esperado al menos 10 veces mayor que la longitud de onda de la fuente de luz y/o para partículas opacas. ^{[6] [7]}

La teoría de Mie se basa en la medición de la dispersión de las ondas electromagnéticas en partículas esféricas. Por lo tanto, no solo tiene en cuenta 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 índice de refracción complejo (incluido el coeficiente de absorción) del material de la partícula. Se cree que el límite inferior de detección teórico de la difracción láser, utilizando la teoría de Mie, generalmente se encuentra alrededor de los 10 nm.

Configuración óptica

El análisis por difracción láser se realiza normalmente a través de un láser He-Ne rojo o un diodo láser , una fuente de alimentación de alto voltaje y un encapsulado estructural. ^[8] Alternativamente, se pueden utilizar diodos láser azules o LED de longitud de onda más corta. La fuente de luz afecta a 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 pase a través de un flujo de partículas dispersas y luego sobre un sensor . Se coloca una lente entre el objeto que se analiza y el punto focal del detector, lo que hace que solo aparezca la difracción láser circundante. Los tamaños que el láser puede analizar dependen de la longitud focal de la lente , la distancia desde la lente hasta su punto de enfoque. A medida que aumenta la longitud focal, también aumenta el área que el láser puede detectar, mostrando una relación proporcional.

Para recoger la luz difractada se utilizan varios detectores de luz, que se colocan en ángulos fijos con respecto al haz láser. La adición de más elementos detectores amplía los límites de sensibilidad y tamaño. A continuación, se puede utilizar un ordenador para detectar los tamaños de las partículas del objeto a partir de la energía luminosa producida y su disposición, que el ordenador obtiene a partir de los datos recogidos 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 aerosoles generalmente requieren una configuración específica. ^[9]

Resultados

Distribución del tamaño de partícula (densidad y subtamaño acumulado) obtenida por difracción láser

Distribución del tamaño de partículas ponderada por volumen

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

La principal representación gráfica de los resultados de difracción láser es la distribución del tamaño de partícula ponderada por volumen, ya sea representada como distribución de densidad (que resalta los diferentes modos) o como distribución de tamaño insuficiente acumulada .

Resultados numéricos

Los resultados de difracción láser numérica más utilizados son:

• Diámetro medio ponderado por volumen, o D 50 . Derivado 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 acumulativa.
• El diámetro medio ponderado por volumen, también denominado D[4,3] o diámetro medio de De Brouckere .
• El span, que da una medida del ancho de la distribución del tamaño de partícula, y se calcula como span = [D ₉₀ – D ₁₀ ]/D ₅₀ . ^[12]

Calidad de resultados y validación de instrumentos

Las normas armonizadas para la precisión y exactitud de las mediciones de difracción láser han sido definidas tanto por la ISO , en la norma ISO 13320:2020, ^[13] como por la Farmacopea de los Estados Unidos , en el capítulo USP <429>. ^[14]

Usos

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

•  observando la distribución de la textura del suelo y sedimentos como arcilla y lodo , con énfasis en el limo y los tamaños de muestras más grandes de arcilla. ^[15]
•  determinación de mediciones in situ de partículas en estuarios . Las partículas en los estuarios son importantes ya que permiten que las especies químicas naturales o contaminantes se desplacen 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 las 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. ^[16]
•  suelo y su estabilidad cuando está húmedo. La estabilidad de la agregación del suelo (grumos 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 el análisis de difracción láser para determinar si el arado tenía un efecto sobre los dos. Se realizaron mediciones antes y después del arado durante diferentes intervalos de tiempo. La dispersión de arcilla resultó no verse afectada por el arado, mientras que la agregación del suelo sí. ^[19]
•  deformabilidad de los eritrocitos bajo esfuerzo cortante. ^[20] Debido a un fenómeno especial llamado pisada de tanque , ^[20] la membrana del eritrocito (glóbulo rojo, GR) gira en relación con la fuerza de corte y el citoplasma de la célula , lo que hace que los GR se orienten. Los glóbulos rojos orientados y estirados tienen un patrón de difracción que representa el tamaño aparente de partícula 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 por difracción láser no es la única forma de medir partículas, se lo ha comparado con el método de la pipeta tamiz, que es una técnica tradicional para el análisis del tamaño de grano . Al compararlos, los resultados mostraron que el análisis por difracción láser realizó cálculos rápidos que fueron fáciles de recrear después de un análisis único, no necesitó muestras de gran tamaño y produjo grandes cantidades de datos. Los resultados se pueden manipular fácilmente porque los datos están en una superficie digital. Tanto el método de la pipeta tamiz como el análisis por difracción láser pueden analizar objetos minúsculos, pero el análisis por difracción láser resultó tener una mejor 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]}

•  Suposiciones que incluyen partículas con configuraciones y valores de volumen aleatorios. 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 por difracción láser no están completamente validados. A veces se utilizan diferentes algoritmos para que los datos recopilados coincidan con las suposiciones realizadas por los usuarios, en un intento de evitar que los datos parezcan incorrectos.
• Inexactitudes en la medición debido a los bordes afilados de los objetos. El análisis por difracción láser tiene la posibilidad de detectar partículas imaginarias en los bordes afilados debido a los grandes ángulos que forman los láseres sobre ellos.
• En comparación con la recopilación de datos de imágenes ópticas , otra técnica de medición del tamaño de partículas, la correlación entre ambos fue deficiente para las partículas no esféricas. Esto se debe al hecho de que las teorías subyacentes de Fraunhofer y Mie solo cubren partículas esféricas. Las partículas no esféricas causan 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.

Véase también

• Tomografía por difracción
• Lista de artículos sobre láser
• Distribución del tamaño de partículas

Referencias

1. "Informe sobre el transporte de granos, 24 de octubre de 2013". 24 de octubre de 2013. doi : 10.9752/ts056.10-24-2013 . {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
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