Laserbeugungsanalyse

Die Laserbeugungsanalyse , auch Laserbeugungsspektroskopie genannt , ist eine Technologie, die die Beugungsmuster eines Laserstrahls nutzt, der Objekte mit einer Größe von Nanometern bis Millimetern durchdringt ^{[ 1 ]} , um schnell geometrische Abmessungen von Partikeln zu messen. Dieses Partikelgrößenanalyseverfahren ist unabhängig vom Volumenstrom , also der Menge an Partikeln, die pro Zeiteinheit eine Oberfläche passieren. ^{[ 2 ]}

Die Laserbeugungsanalyse basiert ursprünglich auf der Fraunhofer- Beugungstheorie, die besagt, dass die Intensität des von einem Partikel gestreuten Lichts direkt proportional zur Partikelgröße ist. ^{[ 4 ]} Der Winkel des Laserstrahls und die Partikelgröße verhalten sich umgekehrt proportional: Mit abnehmender Partikelgröße nimmt der Einfallswinkel des Laserstrahls zu und umgekehrt. ^{[ 5 ]} Seit den 1990er Jahren wird das Mie-Streumodell , auch Mie-Theorie genannt, als Alternative zur Fraunhofer-Theorie verwendet.

Kommerzielle Laserbeugungsanalysatoren überlassen dem Anwender die Wahl zwischen der Fraunhofer- und der Mie-Theorie zur Datenauswertung. Daher ist es wichtig, die Stärken und Grenzen beider Modelle zu verstehen. Die Fraunhofer-Theorie berücksichtigt ausschließlich die Beugungsphänomene an der Partikeloberfläche. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass sie keine Kenntnisse über die optischen Eigenschaften ( komplexer Brechungsindex ) des Partikelmaterials erfordert. Sie wird daher typischerweise auf Proben mit unbekannten optischen Eigenschaften oder auf Gemische verschiedener Materialien angewendet. Bei Proben mit bekannten optischen Eigenschaften sollte die Fraunhofer-Theorie nur für Partikel mit einem erwarteten Durchmesser, der mindestens zehnmal größer als die Wellenlänge der Lichtquelle ist, und/oder für opake Partikel angewendet werden. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

The Mie theory is based on measuring the scattering of electromagnetic waves on spherical particles. Hence, it is taking into account not only the diffraction at the particle’s contour, but also the refraction, reflection and absorption phenomena within the particle and at its surface.^[6] Thus, this theory is better suited than the Fraunhofer theory for particles that are not significantly larger than the wavelength of the light source, and to transparent particles. The model’s main limitation is that it requires precise knowledge of the complex refractive index (including the absorption coefficient) of the particle’s material. The lower theoretical detection limit of laser diffraction, using the Mie theory, is generally thought to lie around 10 nm.

Laser diffraction analysis is typically accomplished via a red He-Ne laser or laser diode, a high-voltage power supply, and structural packaging.^[8] Alternatively, blue laser diodes or LEDs of shorter wavelength may be used. The light source affects the detection limits, with lasers of shorter wavelengths better suited for the detection of submicron particles. Angling of the light energy produced by the laser is detected by having a beam of light go through a flow of dispersed particles and then onto a sensor. A lens is placed between the object being analyzed and the detector's focal point, causing only the surrounding laser diffraction to appear. The sizes the laser can analyze depend on the lens' focal length, the distance from the lens to its point of focus. As the focal length increases, the area the laser can detect increases as well, displaying a proportional relationship.

Multiple light detectors are used to collect the diffracted light, which are placed at fixed angles relative to the laser beam. More detector elements extend sensitivity and size limits. A computer can then be used to detect the object's particle sizes from the light energy produced and its layout, which the computer derives from the data collected on the particle frequencies and wavelengths.^[5]

In practical terms, laser diffraction instruments can measure particles in liquid suspension, using a carrier solvent, or as dry powders, using compressed air or simply gravity to mobilize the particles. Sprays and aerosols generally require a specific setup.^[9]

Da die vom Detektorarray erfasste Lichtenergie proportional zum Partikelvolumen ist, sind Laserbeugungsergebnisse volumenbezogen. ^{[ 10 ]} Dies bedeutet, dass die Partikelgrößenverteilung das Volumen des Partikelmaterials in den verschiedenen Größenklassen repräsentiert . Im Gegensatz dazu erfassen zählbasierte optische Verfahren wie Mikroskopie oder dynamische Bildanalyse die Anzahl der Partikel in den verschiedenen Größenklassen. ^{[ 11 ]} Die Proportionalität des gebeugten Lichts zum Partikelvolumen impliziert zudem, dass die Ergebnisse von einer Kugelform der Partikel ausgehen, d. h., dass die ermittelte Partikelgröße einem äquivalenten Kugeldurchmesser entspricht . Daher kann die Partikelform mit dieser Technik nicht bestimmt werden.

Die wichtigste grafische Darstellung von Laserbeugungsergebnissen ist die volumengewichtete Partikelgrößenverteilung, die entweder als Dichteverteilung (die die verschiedenen Moden hervorhebt) oder als kumulative Untergrößenverteilung dargestellt wird .

Die am häufigsten verwendeten numerischen Laserbeugungsergebnisse sind:

• Der mittlere volumengewichtete Durchmesser, oder D ₅₀ . Er wird aus der kumulativen Kurve abgeleitet und stellt den Partikeldurchmesser dar, der die oberen 50 % der Daten von den unteren 50 % trennt.
• Die D _10- und D ₉₀ -Werte wurden ebenfalls aus der kumulativen Kurve abgeleitet.
• Der mittlere volumengewichtete Durchmesser, auch D[4,3] oder De Brouckere-Mitteldurchmesser genannt .
• Die Spannweite, die ein Maß für die Breite der Partikelgrößenverteilung angibt, wird wie folgt berechnet: Spannweite = [D ₉₀ – D ₁₀ ]/D ₅₀ . ^{[ 12 ]}

Harmonisierte Standards für die Genauigkeit und Präzision von Laserbeugungsmessungen wurden sowohl von der ISO in der Norm ISO 13320:2020 ^{[ 13 ]} als auch von der United States Pharmacopoeia im Kapitel USP <429> ^{[ 14 ] definiert.}

Die Laserbeugungsanalyse wurde zur Messung der Partikelgröße von Objekten in Situationen wie den folgenden eingesetzt:

• Beobachtung der Verteilung der Bodenart und von Sedimenten wie Ton und Schlamm , wobei der Schwerpunkt auf Schluff und der Größe größerer Tonproben liegt. ^{[ 15 ]}
• Bestimmung von Partikelkonzentrationen in Ästuaren vor Ort . Partikel in Ästuaren sind wichtig, da sie die Ausbreitung natürlicher und schädlicher chemischer Substanzen ermöglichen. Größe, Dichte und Stabilität der Partikel in Ästuaren sind für deren Transport entscheidend. Die Laserbeugungsanalyse wird hier eingesetzt, um Partikelgrößenverteilungen zu vergleichen und so diese Aussage zu untermauern sowie Zyklen von Veränderungen in Ästuaren zu identifizieren, die durch unterschiedliche Partikel verursacht werden. ^{[ 16 ]}
• Boden und seine Stabilität im feuchten Zustand. Die Stabilität der Bodenaggregation (Zusammenhalt von Bodenklumpen durch feuchten Ton) ^{[ 17 ]} und der Tondispersion (Entmischung von Ton in feuchtem Boden) ^{[ 18 ]} , zwei unterschiedliche Bodenzustände in der Cerrado- Savanne, wurden mittels Laserbeugungsanalyse verglichen, um den Einfluss des Pflügens auf diese beiden Zustände zu bestimmen. Die Messungen erfolgten vor und nach dem Pflügen über verschiedene Zeiträume. Es zeigte sich, dass die Tondispersion durch das Pflügen nicht beeinflusst wurde, die Bodenaggregation hingegen schon. ^{[ 19 ]}
• Die Verformbarkeit von Erythrozyten unter Scherkräften ^{[ 20 ]} beruht auf einem speziellen Phänomen, dem sogenannten Tank -Treading ^{[ 20 ].} Dabei rotiert die Membran des Erythrozyten (rotes Blutkörperchen, RBC) relativ zur Scherkraft und zum Zytoplasma der Zelle , wodurch sich die Erythrozyten ausrichten. Ausgerichtete und gestreckte rote Blutkörperchen weisen ein Beugungsmuster auf, das die scheinbare Partikelgröße in jeder Richtung repräsentiert. Dies ermöglicht die Messung der Verformbarkeit und Orientierbarkeit der Erythrozyten. In einem Ektacytometer ^{[ 21 ]} kann die Erythrozytenverformbarkeit unter verändertem osmotischem Stress oder Sauerstoffpartialdruck gemessen werden und wird in der Diagnose und Verlaufskontrolle angeborener hämolytischer Anämien eingesetzt ^{[ 22 ]} .

Da die Laserbeugungsanalyse nicht die einzige Methode zur Partikelmessung ist, wurde sie mit der Siebpipettenmethode verglichen, einem traditionellen Verfahren zur Korngrößenanalyse . Die Ergebnisse zeigten, dass die Laserbeugungsanalyse schnelle und nach einmaliger Messung leicht reproduzierbare Berechnungen ermöglicht, keine großen Probenmengen benötigt und große Datenmengen liefert. Die Ergebnisse lassen sich leicht verarbeiten, da sie digital vorliegen. Sowohl die Siebpipettenmethode als auch die Laserbeugungsanalyse können kleinste Objekte analysieren, wobei die Laserbeugungsanalyse eine höhere Präzision aufweist. ^{[ 23 ]}

Die Gültigkeit der Laserbeugungsanalyse wurde in folgenden Bereichen in Frage gestellt: ^{[ 24 ] [ 25 ]}

• Annahmen umfassen unter anderem Partikel mit zufälligen Konfigurationen und Volumenwerten. In einigen Dispersionseinheiten wurde gezeigt, dass sich Partikel eher aneinander ausrichten, anstatt turbulent zu fließen , wodurch sie sich in eine geordnete Richtung bewegen.
• Die in der Laserbeugungsanalyse verwendeten Algorithmen sind nicht ausreichend validiert. Um fehlerhafte Daten zu vermeiden, werden mitunter unterschiedliche Algorithmen eingesetzt, um die gesammelten Daten an die Annahmen der Nutzer anzupassen.
• Messungenauigkeiten können durch scharfe Kanten an Objekten entstehen. Die Laserbeugungsanalyse birgt das Risiko, imaginäre Partikel an scharfen Kanten zu erfassen, da die Laserstrahlen dort große Winkel bilden.
• Im Vergleich zur Datenerfassung mittels optischer Bildgebung , einer anderen Partikelgrößenbestimmungsmethode, war die Korrelation zwischen beiden Verfahren bei nicht-sphärischen Partikeln gering. Dies liegt daran, dass die zugrunde liegenden Fraunhofer- und Mie-Theorien nur sphärische Partikel beschreiben. Nicht-sphärische Partikel verursachen diffusere Streumuster und sind schwieriger zu interpretieren. Einige Hersteller haben Algorithmen in ihre Software integriert, die nicht-sphärische Partikel teilweise kompensieren können.

• Diffraktionstomographie
• Liste der Laserartikel
• Partikelgrößenverteilung