ВКР: Точность и достоверность измерений размеров наночастиц методом корреляционной спектроскопии рассеянного света

Введение
Метод лазерной корреляционной спектроскопии (или метод динамического рассеяния света, ДРС) широко используется при исследованиях молекулярных растворов. Его применяют в физике, химии, биологии и других областях науки. Суть метода заключается в измерении корреляционной функции флуктуаций интенсивности рассеянного раствором света G(). Из корреляционной функции интенсивности можно определить времена корреляции, обратно пропорциональные коэффициентам диффузии Dt рассеивающих частиц в жидкости. Это позволяет, в случае сферических частиц, определить их размер, если известны температура, вязкость и показатель преломления растворителя. В случае монодисперсного раствора, размеры рассеивателей можно определить достаточно точно. Если же в растворе присутствуют два сорта частиц и их размеры отличаются менее чем в три раза, точность их определения в растворе сильно уменьшается. Задача определения размеров для трех и более сортов частиц или при непрерывном распределении частиц по размерам становится еще более сложной и не всегда однозначной. Эта проблема оказалась важной для исследований растворов плазмы крови, проводимых в лаборатории люминесценции кафедры общей физики. Целью дипломной работы было исследование точности и достоверности измерений размеров наночастиц в растворах с помощью имеющегося корреляционного спектрометра и программного обеспечения, а так же определение оптимальных процедур измерения и обработки данных для получения наилучшего результата на модельных растворах монодисперсных латексов, бинарных и тройных растворов латексов.
Глава 1. Обзор литературы
Часть 1.Светорассеяние Рассеяние электромагнитных волн любой системой связано с ее неоднородностью либо на молекулярном уровне, либо на уровне скоплений, состоящих из молекул. Если на какое-либо препятствие, которое может быть отдельным электроном, атомом или молекулой, частицей твердого вещества или жидкости, попадает электромагнитная волна, то под воздействием электрического поля падающей волны электрические заряды в этом препятствии приходят в колебательное движение. Ускоренные электрические заряды излучают электромагнитную энергию во всех направлениях. Это вторичное излучение называется излучением, рассеянным препятствием. Рэлеевское рассеяние – это рассеяние на частицах, малых по сравнению с длиной волны. [1] Имеется два основных класса задач в теории взаимодействия электромагнитной волны с частицей. Прямая задача. При этом форма, размер и состав частицы известны. Частица освещается пучком заданной интенсивности, поляризации и частоты. Требуется найти поле. Обратная задача. Из анализа рассеянного поля требуется описать частицу или частицы, являющиеся причиной рассеяния. 1.1.1 Динамическое рассеяние света 1964 г. Р. Пекора показал, что частотный профиль рассеянного света уширяется в результате поступательной диффузии маркомолекул. Согласно его теории, из полуширины центрального пика на половине его высоты можно вычислить коэффициент поступательной диффузии. В том же году Г. Каммингс, Н. Кнабль и Й. Йе использовали метод оптического смешения в опытах по рассеянию света на суспензии сферического полистирольного латекса. Они применили He-Ne лазер в качестве источника и технику, названную впоследствии «гетеродинной» техникой оптических биений или техникой динамического рассеяния света. . Название ДРС включает в себя все методы исследования рассеяния света, которые обеспечивают информацию о динамике молекул. Например, квазиупругое рассеяние света - в процессе рассеяния возникает новый спектр длин волн, у которого центральная частота такая же, как и у падающей волны, но амплитуда и фаза рассеянной волны модулированы по частоте. Фотонная корреляционная спектроскопия - для подсчета автокорреляционной функции используются одиночные фотоны. Оптическая спектроскопия смешения - этот метод характеризуется очень высокой разрешающей способностью для описания динамики макромолекул в растворе. Каждое из этих названий подчеркивает ту или иную сторону метода, исходя или из способа детектирования, или на специфике регистрируемых событий. Метод ДРС основан на анализе спектра рассеянного лазерного излучения на исследуемом образце. После взаимодействия лазерного луча с исследуемым образцом в рассеянном свете имеется информация о частицах, на которых рассеялось лазерное излучение. Используя теоретические знания о том, как рассеивается свет, из анализа рассеянного света можно получить информацию о частицах, такую как размер частиц, их форма, распределение частиц по размерам, концентрация, коэффициент диффузии. Данный метод позволяет измерять размеры частиц от 0,5-1 нм до 5-6 микрон. Метод является бесконтактным, не вносящим возмущение в исследуемую среду. Для его применения не требуется специального приготовления образцов. Кроме того, он является абсолютным, не требующим предварительной калибровки с использованием стандартных образцов. В рекламных материалах к корреляционным спектрометрам утверждается, что метод динамического рассеяния света (ДРС) позволяет быстро (несколько минут) и точно (1-2%) измерить в растворе коэффициенты поступательной диффузии макромолекул практически любых размеров. В работе проверяется это утверждение.