تئوری پتانسیل زتا و چگونگی کارکرد دستگاه تفرق نور پویا در اندازه‌گیری پتانسیل زتا-بخش دوم

پتانسیل زتا به بار سطح ذرات موجود در یک سیال گفته می‌شود. اندازه‌گیری پتانسیل زتا یکی از عوامل مهم در پایداری مواد کلوئیدی است. این پتانسیل می‌تواند شرایط نمونه را در حالت‌های مهم نشان دهد. روش‌های محدودی برای اندازه گیری پتانسیل زتا وجود دارد. در این مقاله، ئتوری پتانسیل زتا و چگونگی اندازه‌گیری آن با دستگاه DLS مورد بررسی قرار می‌گیرد. در بخش اول این مقاله به مباحث تئوری و محاسبه پتانسیل زتا، پتانسیل زتا و لایه مضاعف الکتریکی، اثرات الکتروسینتیک، اثر الکتروفورتیک، معادله هنری، تحرک الکتروفورتیک، ولوسیمتری داپلر لیزر، تلفیق‌کننده نوری، اثر الکترواسمز و روش M3 پرداخته شد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- معکوس شدن میدان الکتریکی اعمال شده کند
2- معکوس شدن میدان الکتریکی اعمال شده تند
3- مزایای روش M3
4- روش PALS
1-4- ساز و کار روش PALS
5- عملکرد دستگاه DLS سری نانو برای اندازه‌گیری پتانسیل زتا
6- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
نتیجه‌گیری

زمانی‌که میدان الکتریکی با سرعت بالا معکوس می‌شود، به‌دلیل اینکه در این شرایط حرکت الکترولیت متاثر از اثر الکترواسمز بسیار ناچیز و قابل چشم‌پوشی است، تحرک الکتروفورتیکی ذرات به‌دست آمده به تحرک الکتروفورتیکی واقعی ذره بسیار نزدیک است. اما مشکلی که وجود دارد این است که این تحرک الکتروفورتیکی ذرات ثبت شده، تحرک الکتروفورتیکی ذرات در یک بازه زمانی بسیار کوچک است که نمی‌تواند به جای میانگین تحرک الکتروفورتیکی ذره و یا میانگین سرعت توزیع ذرات مورد استفاده قرار بگیرد. پس از اندازه‌گیری پتانسیل زتا به‌وسیله دو روش فوق، میانگین اندازه پتانسیل زتا از دو روش انجام گرفته، محاسبه می‌شود.
اندازه‌گیری پتانسیل زتا به روش M3 شامل بخش‌های زیر است:

همان‌طور که بیان شد، روش‌های قبلی ولوسیمتری داپلر لیزر و M3، نتوانستند تحرک الکتروفورتیکی متوسط نمونه‌های آزمایشی را با دقت بالا به‌دست آورند. شرکت ملورن، سازنده دستگاه DLS از روشی استفاده کرده است که می‌تواند اندازه تحرک الکتروفورتیک را در هر نقطه از کیووت، با دقتی بالاتر از دو روش قبل به‌دست آورد. این روش در واقع ترکیبی از دو روش ولوسیمتری داپلر لیزر و تفرق نور تحلیلی فاز است که به آن روش PALS-M3 گفته می‌شود. حال برای بهبود نتایج آزمایش روش M3 با PALS ترکیب می‌شود.

روش PALS می‌تواند سبب بهبود نتایج آزمایش اندازه‌گیری پتانسیل زتا به روش ولوسیمتری داپلر لیزر و M3 شود که بالا بردن دقت اندازه‌گیری تحرک الکتروفورتیکی ذرات سبب بهبود این عامل می‌شود. همچنین استفاده از روش PALS، به کاربر این امکان را می‌دهد تا بتواند از ذراتی که سرعت حرکت آنها خیلی کم است و یا ذراتی که دارای خاصیت رسانایی الکتریکی بالایی هستند نیز آزمایش اندازه‌گیری پتانسیل زتا را انجام دهد. همچنین با استفاده از اعمال ولتاژ کم در این روش می‌توان از بروز هرگونه خطر در هنگام انجام آزمون روی ذراتی که دارای مقاومت الکتریکی بالا هستند، جلوگیری نمود.

در روش ولوسیمتری داپلر لیزر برای اندازه‌گیری تحرک الکتروفورتیکی ذرات از تغییرات فرکانس شدت، ناشی از حرکت ذرات استفاده می‌شود، اما در روش PALS، همان‌طور که از اسمش هم پیداست، تغییرات فاز برای اندازه‌گیری تحرک الکتروفورتیکی ذرات مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقدار و اندازه فاز در تفرق نور برای جابجایی ذره ثابت است و مقدار آن حفظ می‌شود، اما مقدار و اندازه فاز نسبت به سرعت ذره متغیر است. تغییرات فازی بر اثر سرعت ذره به‌دست می‌آید و با فاز پرتو مرجع مقایسه می‌شود. از این مقایسه، یک شکاف پرتو که نسبت کوچکی از پرتو لیزر اصلی که به‌عنوان مرجع استفاده شده‌ا‌ست، استخراج می‌شود. از روی تجزیه و تحلیل سیگنالی فاز، دستگاه قادر خواهد بود که اثر الکتروفورتیکی و حتی حضور اثرات دیگری نظیر رانش‌های حرارتی را که در نمونه‌های با مقاومت الکتریکی بالا به چشم می‌خورد، محاسبه کند. توانایی انجام این قابلیت به این خاطر است که نمودار تغییرات فاز با به کار‌گیری میدان الکتریکی اعمال شده مشخص‌، می‌تواند اثرات مختلف را از هم تفکیک نماید. در روش M3، در حالتی که سرعت معکوس شدن میدان اعمالی تند باشد، اثر الکترواسمز ناچیز است و به همین دلیل، اختلاف بین دو فاز در یک ذره ساکن، ثابت می‌ماند. سپس با کوچکترین حرکت ذره نمودار فاز تغییر خواهد نمود. تغییرات فاز شدت نسبت به تغییرات فرکانس که در روش ولوسیمتری داپلر لیزر مورد استفاده قرار می‌گیرد، بسیار حساس‌تر است و به این ترتیب میزان تحرک الکتروفورتیکی به‌دست آمده از روش M3-PALS که مخلوطی از دو روش قبلی است، دقیق‌تر است. در شکل (2) نیز تحرک الکتروفورتیکی و در نتیجه پتانسیل زتا که از مجموع اندازه‌گیری تغییرات فاز در طول معکوس شدن تند میدان الکتریکی اعمال شده به‌دست آمده، مشاهده می‌شود.

همان‌طور که در شکل (3) دیده می‌شود، سیستم اندازه‌گیری پتانسیل زتا نیز مانند سیستم اندازه‌گیری تعیین توزیع اندازه ذرات شامل (7) بخش اصلی است که عبارتند از:

نخستین بخش دستگاه DLS، لیزر است.. پرتویی که از این منبع تابیده می‌شود به دو قسمت پرتوی مرجع و پرتوی ساطع تقسیم می‌شود. همان‌طور که در شکل (3) دیده می‌شود، پرتوی لیزری که از قسمت پرتوی ساطع تابانده شده از وسط نمونه‌ای که درون کیووت قرار گرفته است، عبور می‌کند و آن قسمت از پرتویی که با زاویه 17 درجه متفرق شده‌است، توسط شناساگر دریافت می‌شود. زمانی‌که یک میدان الکتریکی خارجی به نمونه اعمال می‌شود، ذرات درون دیسپرسانت حرکت می‌کنند و در نتیجه نوسانات شدت پرتو با یک فرکانس مشخص با استفاده از شناساگر ثبت می‌شود که این فرکانس متناسب با سرعت حرکت ذرات است. سپس شناساگر این اطلاعات را به پردازنده دیجیتالی سیگنال برای تبدیل به زبان دیجیتالی ارسال می‌کند. این اطلاعات به رایانه داده می‌شود تا با نرم‌افزار دستگاه DLS یک طیف فرکانس از تحرک الکتروفورتیکی به‌دست آید که از روی این اطلاعات، پتانسیل زتا محاسبه می‌شود.
شدت نور متفرق شده درون کیووت باید در یک محدوده مخصوصی باشد تا شناساگر بتواند مقدار آن را دقیق اندازه‌گیری کند. اگر نور دریافتی توسط شناساگر زیاد باشد، از تضعیف کننده لیزر استفاده می‌شود تا شدت نور تابانده شده راکاهش دهد، از این‌رو کاهش شدت نور متفرق شده به‌دست می‌آید.
اما برای ذراتی که نور را خیلی کم متفرق می‌کنند یا ذراتی که خیلی کوچک هستند و یا ذراتی که غلظت کمی دارند، باید مقدار نور متفرق شده افزایش پیدا کند. تضعیف کننده به‌صورت خودکار اجازه دارد که مقدار نور تابانده شده به نمونه را در این موارد افزایش دهد. برای نمونه‌هایی که نور زیادی متفرق می‌کنند، ذرات درشت و ذراتی که غلظت بالایی دارند، مقدار نور متفرق شده را باید کاهش داد. تضعیف کننده به‌طور خودکار قادر است که مقدار نور تابانده شده به نمونه را کاهش دهد. برای هر اختلاف در ضخامت دیواره کیووت و ضریب شکست‌های مختلف دیسپرسانت نیز، قطعات اصلاح کننده نوری در مسیر پرتوهای متفرق شده برای هم‌تراز قراردادن این پرتوها نصب شده‌است.

6- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی

یکی از آزمون‌هایی که دستگاه DLS انجام می‌دهد، آزمون اندازه‌گیری پتانسیل زتا است. پتانسیل زتا در حوزه‌های مختلفی کاربرد دارد. در حوزه‌هایی که معلق ماندن فاز جامد در مایع و فاز مایع در مایع دارای اهمیت باشد، مثل داروسازی، سرامیک، موادغذایی و غیره، اندازه‌گیری پتانسیل زتا می‌تواند سبب بهبود کیفیت این محصولات شود و زمینه پیشرفت تحقیقات را در این زمینه‌ها فراهم سازد. دستگاه DLS با ابداع یک روش برای انجام آزمون اندازه‌گیری پتانسیل زتا که ترکیبی از دو روشی است که پیش از این مورد استفاده قرار می‌گرفته، توانسته با کاهش زمان انجام آزمون، بالا بردن دقت آزمون و کاهش خطای اندازه‌گیری، کیفیت نتایج به‌دست آمده از آزمون را ارتقا بخشد و انجام آزمون را برای نمونه‌هایی مانند، نمونه‌هایی که رسانایی خیلی بالا دارند و یا نمونه‌هایی که دارای مقاومت الکتریکی زیادی هستند و اندازه‌گیری پتانسیل‌زتا در آنها کار دشواری محسوب می‌شود را آسان سازد.