диплом (1236025), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

– толщина поглощающего слоя раствора;

– средний диаметр поглощающих частиц;

и – константы, зависящие от природы суспензии и метода измерения;

– длина волны.

Из формул (1.2) и (1.3) видно, что интенсивность рассеянного и прошедшего света зависит от размера частиц в исследуемой дисперсной системе. Однако, малая точность [6] и сложность математической обработки данных [7], полученных в результате использования описанных методов препятствуют их использованию для точного измерения размеров частиц.

Ультрамикроскопия – метод исследования коллоидных частиц, использующий дифракцию света на частицах для анализа их размеров, концентрации, скорости и т.д. Конструкция поточного ультрамикроскопа представлена на рис. 1.2: монохроматический свет поступает от источника излучения (лазера) 1, проходит через конденсор (2), коллиматор (3) и объектив (4) и освещает поток дисперсных частиц, движущихся в поточной кювете. Дифрагированное на частицах излучение наблюдают в наблюдательный микроскоп (6). Часть дифрагированного света, несущего информацию о свойствах коллоидных частиц в потоке, поступает через световод (7) на фотоэлектронный умножитель (8), сигнал с которого усиливается на усилителе-формирователе импульсов (9), откуда попадает на компьютерный анализатор, осуществляющий математическую обработку полученного сигнала. С анализатора информация может передаваться на различные устройства вывода: дисплей (11).

Рис. 1.2 – Конструкция поточного ультрамикроскопа [8]

Средний линейный размер коллоидных частиц определяют по следующей формуле:

, (1.4)

где – массовая концентрация частиц;

– наблюдаемый объем взвеси;

– среднее количество частиц, подсчитанных в объеме ;

– плотность дисперсных частиц.

Преимуществом ультрамикроскопии является возможность измерения сверхмалых частиц (до 2-4 нм), однако таких пределов измерения можно достигнуть лишь при большой разности показателей преломления дисперсионной среды и частиц (например, взвесь металлических частиц в воде). При незначительной разнице в показателях преломления, минимальных размер детектируемых частиц возрастает на порядок (до 20-40 нм для взвеси органических частиц в воде).

Одним из наиболее перспективных методов исследования размеров наночастиц является метод фотонной корреляционной спектроскопии.

1.2 Фотонная корреляционная спектроскопия

Фотонная корреляционная спектроскопия (ФКС, динамическое рассеяние света) – метод исследования вещества, позволяющий на основании автокорреляционной функции излучения, рассеянного частицами исследуемого вещества, вычислять распределение частиц по размерам.

Исследование размеров частиц методом ФКС основано на предположении, что частицы исследуемого вещества в жидкой среде двигаются в соответствии с законом Броуновского движения (при малых концентрациях). В соответствии с этим предположением, спектр интенсивности излучения, рассеянного на частицах в жидкой среде может быть связан с функцией плотности вероятности для Броуновского процесса:

P(r,t | 0,0) (4Dt)3/ 2 exp(r 2 / 4Dt), (1.5)

где P(r,t | 0,0) - …

D – коэффициент диффузии.

Поскольку функция зависит только от D, значение коэффициента диффузии может быть получено при измерении функции плотности вероятности. Коэффициент диффузии связан с размером частиц известным соотношением [9]:

(1.6)

где k_b – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

 – коэффициент динамической вязкости жидкости;

R – радиус частиц.

Связь между функцией плотности вероятности и спектром интенсивности рассеянного света обусловлена тем, что относительное движение рассеивающих частиц вызывает возникновение разности фаз света рассеянного разными частицами (рис. 1.3).

Рис. 1.3 – Возникновение разности фаз рассеянного света при движении частиц [10]

При анализе спектра интенсивности рассеянного излучения необходимо сравнить экспериментально полученные данные с теоретической спектральной характеристикой интенсивности – функцией Лоренца.

Для удобства работы со спектрами вводят понятие «точки перегиба» – точки пересечения прямой линии, аппроксимирующей низкочастотную область спектра с прямой линией, аппроксимирующей высокочастотную часть спектра. Точка перегиба очень важна, поскольку качество полученных результатов измерения размеров напрямую зависит от точности подбора аппроксимирующих прямых и, как следствие, положения точки перегиба. Таким образом, минимальный размер частиц, который можно измерить зависит от максимальной частоты, при которой еще можно определить положение точки перегиба с высокой достоверностью.

Классическая схема эксперимента по фотонной корреляционной спектроскопии представлена на рис. 1.4.

Рис. 1.4 – Схема экспериментальной установки для фотонной корреляционной спектроскопии

Излучение лазера пропускают через собирающую линзу, расположенную таким образом, чтобы проходящий свет фокусировался в кювете с исследуемым веществом. Рассеянный в произвольном направлении свет с помощью собирающей линзы фокусируют на фотоприемник. Сигнал с фотоприемника усиливается в усилителе и передается в компьютер для дальнейшей математической обработки. В некоторых экспериментах перед фотоприемником располагают диафрагму, однако подобный подход снижает интенсивность сигнала, попавшего на фотоприемник не принося при этом значительного выигрыша в качестве сигнала. Кроме этого, подобный подход осложнен необходимостью прецизионного позиционирования диафрагмы[10].

ФКС применяется для исследования мембранного синтеза [11], поведения наносфер в суспензиях [12], движения мономеров меламина [13], обнаружения холерного токсина [14], исследования лечебных белков [15], агрегации глицирризина [16], измерения наноконъюгатов [17], липопротеинов [18], мониторинга макромолекул при образовании поперечных связей [19], измерения липоидных зерен и однослойных липосом [20], наночастиц оксида железа [21], исследования агрегации фульвокислот и гуминовых кислот [22], полимерных мицелл [23], 11S-глобулина [24].

1.3 Рассеяние света диэлектрическими частицами

При распространении световой волны в веществе, переменное электрическое поле раскачивает электроны в атомах, составляющих вещество. Эти электроны становятся источниками вторичных сферических волн, распространяющихся во всех направлениях. Из этого следует, что при попадании света в вещество он должен рассеиваться. Но в прозрачных средах рассеяния не происходит. Волновой фронт восстанавливается в результате наложения вторичных волн от элементарных объемов. Такие объемы должны включать одинаковое количество атомов, испускающих вторичные волны.

Выполнение этого условия возможно лишь в абсолютно однородной среде. При этом рассеяние света не должно происходить вообще. В случае незначительных флюктуаций однородности лишь малая доля исходного пучка рассеивается в стороны. При наблюдении параллельного пучка света, распространяющегося в дистиллированной воде или высококачественном стекле, заметить его сбоку практически невозможно. Это свидетельствует о том, что лишь незначительная доля излучения рассеивается в стороны. При проведении аналогичного эксперимента с неоднородной жидкостью (например, если в воде содержатся мелкие пузырьки газа или взвесь другой, нерастворимой в воде, жидкости) пучок света отчетливо различим. Рассеяние света наблюдается при распространении в среде, частицы которой значительно меньше длины волны падающего света и недоступны для прямого наблюдения (подобные среды получили названия мутных). Первое экспериментальное исследование рассеяния света мутными средами было проведено в 1869 году Д. Тиндалем. Получить представление, о рассмотренных Тиндалем закономерностях можно с помощью простого опыта [25].

Стеклянный сосуд заполняют водой и добавляют туда несколько капель молока. При пропускании интенсивного пучка белого света через сосуд, он испытывает рассеяние. При этом свет, рассеянный в стороны отличается от падающего света более голубоватым оттенком. Свет, прошедший сквозь толщу жидкости (при достаточной толщине преодолеваемого слоя), наоборот, отличается красноватым оттенком.

При этом излучение, рассеянное под прямым углом к падающему пучку поляризовано линейно, даже если исходный свет имел естественную поляризацию. А вектор напряженности электрического поля рассеянного излучения нормален по отношению к направлению исходного пучка света.

Интенсивность рассеянного света I() зависит от направления наблюдения  и подчиняется формуле:

(1.7)

Формуле (1.7) соответствует график, называемый индикатрисой рассеяния (рис. 1.5).

Индикатриса рассеяния падающего света с естественной поляризацией (неполяризованного) симметрична относительно направления исходного пучка и перпендикулярной ему плоскости.

Рис. 1.5 – Индикатриса рассеяния естественного света в мутной среде

Теоретическое обоснования явления, наблюдаемого Тиндалем, было предложено в 1899 г. Рэлеем. Пускай оптическая неоднородность среды вызвана одинаковыми частицами сферической формы, произвольным образом распределенными в объеме однородной прозрачной среды с диэлектрической проницаемостью ε. Если длина волны λ значительно больше размера рассматриваемых частиц, то электрическое поле E(t) световой волны, воздействующее на частицу, можно считать однородным. При этом внешнее электрическое поле вызывает возникновение дипольного момента p(t), пропорционального напряженности поля падающей волны:

, (1.8)

где – поляризуемость частицы

, (1.9)

где –диэлектрическая проницаемость материала частицы;

v – объем частицы.

Согласно следствию из уравнений Максвелла, амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей рассеянного излучения пропорциональны второй производной дипольного момента по времени. В некоторой точке наблюдения, расположенной в волновой зоне (на расстоянии много превышающем длину волны), магнитное и электрическое поля рассеянной волны подчиняются выражению:

, (1.10)

, (1.11)

где r₁=r/r – единичный радиальный вектор, направленный на точку наблюдения,

Характеристики

Список файлов ВКР