تعیین وزن مولکولی با دستگاه تفرق نور پویا

دستگاه تفرق نور پویا ابزاری ساده و سریع برای تعیین وزن مولکولی است. این دستگاه می‌تواند از روی شعاع هیدرودینامیکی نمونه‌های مختلف، وزن مولکول را مشخص کند. در این روش، با استفاده از پراش ایستایی نور و همچنین به کارگیری نمونه‌های آماده‌سازی شده در غلظت‌های مختلف، فرآیند تعیین وزن مولکولی انجام می‌شود. در این دستگاه یک محاسبه‌گر دبای تک زاویه‌ای نیز وجود دارد که می‌تواند اثرات زاویه‌ای را با استفاده از محاسبات ریاضی انجام دهد. تعیین وزن مولکولی با کیووت شیشه‌ای و کوارتزی قابل انجام است و غالبا از تولوئن به‌عنوان نمونه استاندارد استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که کیووت‌های پلی‌استایرن نمی‌تواند مقاومت بالایی در برابر تولوئن داشته باشد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
مقدمه
1- تئوری شدت پراکندگی ثابت نور
2- نسبت ریلی(R_θ)
3- وابستگی زاویه‌ای شدت پراکندگی ریلی (P_θ)
4- نمودار دبی و روش کار دستگاه DLS برای اندازه‌گیری وزن مولکولی
5- روش کار دستگاه DLS
6- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
نتیجه‌گیری

در ابتدا به این موضوع پرداخته می‌شود که این دستگاه از چه روشی برای رسیدن به وزن مولکولی استفاده می‌کند؟ دستگاه DLS برای تعیین وزن مولکولی نمونه آزمایشی، از روشی به نام پراکندگی ثابت شدت نور استفاده می‌کند. نور مرئی از منبع تابش به نمونه آزمایشی که نانوذرات معلق موجود در سوسپانسیون هستند، برخورد می‌کند و بعد از برخورد، از سطح ذره متفرق می‌شود. به دلیل وجود حرکت براونی در نانوذرات معلق در سوسپانسیون و جابجایی آنها به‌طور پیوسته، میزان شدت پراکندگی نور که به‌وسیله شناساگرهای دستگاه ثبت می‌شود، در هر زمان متغیر است. شدت پراکندگی متغیر نور، همان فرآیندی است که این دستگاه با استفاده از آن می‌تواند توزیع اندازه نانوذرات سوسپانسیون مورد آزمایش را اندازه‌گیری کند. به میانگین شدت پراکندگی متغیر نور در یک بازه زمانی ( مثلاً 10 تا 30 ثانیه‌ای)، شدت پراکندگی ثابت نور گفته می‌شود که این فرآیند نیز برای تعیین وزن مولکولی و ضریب ویریال در دستگاه DLS مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از شدت پراکندگی ثابت نور در غلظت‌های مختلف سوسپانسیون حاوی نانوذرات مورد آزمایش، می‌توان وزن مولکولی نانوذرات را با استفاده از معادله ریلی (1) محاسبه نمود:
معادله (1):

که در آن: R_θ: نسبت ریلی (نسبت نور پراکنده شده به نور ساطع شده) ، M: وزن مولکولی نانو‌ذرات، A₂: ضریب ویریال ،C: غلظت، P_θ: وابستگی شدت پراکندگی نور متفرق شده از نمونه آزمایشی به زاویه تابش فوتون، K: ثابت اپتیکی است که ثابت اپتیکی تابعی تعریف شده به‌صورت زیر دارد:
معادله (2):

که در آن: N_A: ثابت آووگادرو، λ_О: طول موج نور متفرق شده، η_О: ضریب شکست دیسپرسانت، dη/dc: تغییرات ضریب شکست به تغییرات غلظت است.
برای محاسبه وزن مولکولی با دستگاه DLS باید عوامل معادله ریلی را به‌دست آورد تا با قرار دادن در معادله، وزن مولکولی که مجهول معادله است، تعیین شود.

برای تعیین نسبت ریلی نمونه آزمایشی، نمونه استاندارد مورد نیاز است. معمولاً از تولوئن به‌عنوان نمونه استاندارد استفاده می‌شود که دلیل آن می‌تواند تغییر ناچیز نسبت ریلی تولوئن در دماها و طول موج‌های مختلف باشد. با داشتن نسبت ریلی نمونه استاندارد و با استفاده از رابطه زیر می‌توان ضریب ریلی نانوذرات مورد آزمایش را به‌دست آورد:
معادله (3):

که در آن:
I_A: شدت پراکندگی نور باقیمانده است که با استفاده از رابطه زیر حاصل می‌شود:
{(شدت پراکندگی نور دیسپرسانت) – (شدت پراکندگی نور نمونه) = (شدت پراکندگی نور باقیمانده)}
I_T: شدت پراکندگی نور در تولوئن، η_О: ضریب شکست دیسپرسانت، η_Τ: ضریب شکست تولوئن، R_T: ضریب ریلی تولوئن است.

اگر شدت پراکندگی نور یک ذره از دو زاویه مختلف توسط شناساگر اندازه‌گیری شود، جواب به‌دست آمده برای اندازه شدت پراکندگی این ذره در دو زاویه متفاوت، دو اندازه مختلف است. در واقع، اندازه شدت پراکندگی نور به زاویه‌ای که شناساگر با امتداد تابش نور دارد، وابسته است. همان‌طور که در شکل (1) نیز دیده می‌شود، شدت پراکندگی فوتون‌های متفرق شده ذره‌ای در نمونه آزمایشی با دو زاویه مشخص توسط شناساگر ثبت شده‌است. با توجه به شکل، می‌توان به این مطلب پی برد که اندازه شدت پراکندگی این ذره از دو زاویه مختلف با هم تفاوت دارد. از یک زاویه، شدت تفرق فوتون‌های برخورد کننده با ذره باهم جمع می‌شوند و از زاویه دیگر، باعث خنثی شدن یکدیگر شده‌اند. به این پدیده که موجب تغییر در شدت پراکندگی نور فوتون‌های متفرق شده از نمونه آزمایشی در زوایای مختلف می‌شود، پراکندگی می گفته می‌شود و زمانی اتفاق می‌افتد که اندازه ذرات به قدری بزرگ باشند که فوتون‌های متعددی با این ذره برخورد کنند.

با توجه به توضیحات داده شده می‌توان نتیجه گرفت، در صورتی که ذرات موجود در سوسپانسیون خیلی کوچک باشند، وابستگی زاویه‌ای شدت پراکندگی نور نزدیک به عدد یک است و می‌توان از آن در معادله ریلی صرف‌نظر کرد. برای نمونه‌هایی با اندازه ذرات کوچک، معادله ریلی به‌صورت زیر ساده می‌شود؛ در واقع شدت پراکندگی تقریبی جایگزین شدت پراکندگی ریلی شده‌است.
معادله (4):

شدت پراکندگی نور متفرق شده از نمونه آزمایشی، با وزن مولکولی نمونه و غلظت سوسپانسیون نمونه آزمایشی متناسب است. دستگاه DLS برای به‌دست آوردن وزن مولکولی، شدت پراکندگی نور متفرق شده از نمونه آزمایشی را در یک زاویه مشخص و با غلظت‌های مختلف محاسبه می‌کند. سپس تغییرات شدت پراکندگی نور در غلظت‌های مختلف با شدت پراکندگی نور متفرق شده از یک نمونه استاندارد مثل تولوئن مقایسه می‌شود. با توجه به نتایج و نموداری که از این مقایسه به‌دست می‌آید، می‌توان وزن مولکولی نمونه آزمایشی را تعیین نمود. نمودار حاصل از این مقایسه را نمودار دبی می‌نامند که در شکل (2) آورده شده‌است.

برای به‌دست آوردن وزن مولکولی با دستگاه DLS، نیاز به تهیه (4) سوسپانسیون با غلظت‌های 0/001، 0/002، 0/003 و 0/004 برحسب گرم بر میلی‌لیتر از نمونه آزمایشی است. البته می‌توان برای افزایش اطمینان از نتیجه به‌دست آمده، سوسپانسیون‌هایی با غلظت‌های بالاتر تهیه نمود. شکل (3) نشان می‌دهد که چگونه وزن مولکولی از روی نمودار دبی به‌دست می‌آید:

همان‌طور که در شکل (3) نیز مشاهده می‌شود، غلظت سوسپانسیون با شدت پراکندگی نور رابطه مستقیم دارد و با افزایش غلظت شدت پراکندگی نور در نمونه آزمایشی نیز زیاد می‌شود. چنانچه شدت پراکندگی نور تنها از یک زاویه ثبت شود، نمودار (KC/R_θ) نسبت به غلظت باید به‌صورت خطی باشد. با داشتن اندازه شدت پراکندگی نور در غلظت صفر، که به کمک نمودار دبی قابل محاسبه است و نقطه تلاقی نمودار دبی با محور yها، و همچنین استفاده از معادله ریلی، می‌توان وزن مولکولی نمونه آزمایشی را محاسبه کرد. در ضمن، ضریب ویریال نیز از روی شیب نمودار دبی به‌دست می‌آید.

این مقاله از مجموعه مقالات فصل‌نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2015، شماره 8 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده آنالیز DLS بر روی لینک زیر کلیک کنید.

نام دستگاه

دستگاه تفرق نور پویا

برای اندازه‌گیری وزن مولکولی نمونه با استفاده از دستگاه DLS، باید چند نمونه با غلظت‌های مختلف را تهیه نموده و به همراه یک نمونه استاندارد در دستگاه DLS آزمون گرفت. دستگاه با استفاده از معادله ریلی می‌تواند وزن مولکولی و ضریب دوم ویریال را محاسبه و ارائه کند.