Спектроскопия диффузионных волн

Спектроскопия диффузионных волн ( DWS ) — оптическая техника, полученная из динамического рассеяния света (DLS), которая изучает динамику рассеянного света в пределе сильного многократного рассеяния. [1] [2] Она широко использовалась в прошлом для изучения коллоидных суспензий , эмульсий , пен , гелей, биологических сред и других форм мягких веществ . При тщательной калибровке DWS позволяет количественно измерять микроскопическое движение в мягком материале, из которого реологические свойства сложной среды могут быть извлечены с помощью микрореологического подхода.

Односпекловая спектроскопия диффузионной волны

Лазерный свет направляется на образец, а выходящий прошедший или отраженный свет обнаруживается оптоэлектрическим датчиком. Интенсивность обнаруженного света является результатом интерференции всех оптических волн, приходящих с разных световых путей.

  • Типичная установка спектроскопии диффузионных волн
    Типичная установка спектроскопии диффузионных волн

Сигнал анализируется путем вычисления функции автокорреляции интенсивности, называемой g 2 . г 2 ( τ ) = ⟨ я ( т ) я ( т + τ ) ⟩ т ⟨ я ( т ) ⟩ т 2 {\displaystyle g_{2}(\tau )={\frac {\langle I(t)I(t+\tau )\rangle _{t}}{\langle I(t)\rangle _{t}^{2}}}}

Для случая невзаимодействующих частиц, взвешенных в (сложной) жидкости, можно установить прямую связь между g 2 -1 и средним квадратом смещения частиц <Δr 2 >. Обозначим P(s) как функцию плотности вероятности (PDF) длины пути фотона s. Связь можно записать следующим образом: [3]

г 2 ( τ ) − 1 = [ ∫ г с П ( с ) эксп ⁡ ( − ( с / л ∗ ) к 0 2 ⟨ Δ г 2 ( τ ) ⟩ ) ] 2 {\displaystyle g_{2}(\tau)-1=[\int {dsP(s)\exp(-(s/l*)k_{0}^{2}\langle \Delta r^{2}( \tau )\rangle )}]^{2}}

где и — транспортная длина свободного пробега рассеянного света. к 0 = 2 π н λ {\displaystyle k_{0}={\frac {2\pi n}{\lambda }}} л ∗ {\displaystyle л*}

Для простых геометрий ячеек, таким образом, можно аналитически рассчитать среднеквадратичное смещение частиц <Δr 2 > из измеренных значений g 2 -1. Например, для геометрии обратного рассеяния, бесконечно толстой ячейки, большого пятна лазерного освещения и обнаружения фотонов, исходящих из центра пятна, соотношение между g 2 -1 и <Δr 2 > следующее:

г 2 ( τ ) − 1 = эксп ⁡ ( − 2 γ ⟨ Δ г 2 ( τ ) ⟩ к 0 2 ) {\displaystyle g_{2}(\tau )-1=\exp \left(-2\gamma {\sqrt {\langle \Delta r^{2}(\tau )\rangle k_{0}^{2}}}\right)} , значение γ составляет около 2.

Для менее толстых ячеек и при передаче соотношение зависит также от l* (длины транспорта). [4]

Для квазипрозрачных ячеек независимый от угла вариант метода, называемый спектроскопией резонаторного усиленного рассеяния [5], использует интегрирующую сферу для изотропного зондирования образцов со всех направлений, удлиняя при этом пути фотонов через образец, что позволяет изучать образцы с низкой мутностью в рамках формализма DWS.

Мультиспекл-спектроскопия диффузионных волн (MSDWS)

Этот метод использует либо камеру для обнаружения множества зерен спеклов (см. рисунок спеклов ), либо матовое стекло для создания большого количества реализаций спеклов (Echo-DWS [6] ). В обоих случаях получается среднее значение по большому количеству статистически независимых значений интенсивности, что позволяет значительно сократить время сбора данных.

  • Типичная установка мультиспекл-спектроскопии диффузионных волн
    Типичная установка мультиспекл-спектроскопии диффузионных волн

г 2 ( τ ) = ⟨ я ( т ) я ( т + τ ) ⟩ п ⟨ я ( т ) ⟩ п 2 {\displaystyle g_{2}(\tau)={\frac {\langle I(t)I(t+\tau)\rangle _{p}}{\langle I(t)\rangle _{p}^{ 2}}}}

MSDWS особенно подходит для изучения медленной динамики и неэргодических сред. Echo-DWS обеспечивает бесшовную интеграцию MSDWS в традиционную схему DWS с превосходным временным разрешением до 12 нс. [7] Адаптивная обработка изображений на основе камеры позволяет проводить онлайн-измерения динамики частиц, например, во время сушки. [8]

Ссылки

  1. ^ G. Maret; PE Wolf (1987). "Множественное рассеяние света неупорядоченными средами. Эффект броуновского движения рассеивателей". Zeitschrift für Physik B. 65 ( 4): 409. Bibcode :1987ZPhyB..65..409M. doi :10.1007/BF01303762. S2CID  121962976.
  2. ^ DJ Pine; DA Weitz; PM Chaikin; E. Herbolzheimer (1988). «Спектроскопия диффузных волн». Physical Review Letters . 60 (12): 1134– 1137. Bibcode : 1988PhRvL..60.1134P. doi : 10.1103/PhysRevLett.60.1134. PMID  10037950.
  3. ^ F. Scheffold ; et al. (2004). "Новые тенденции в оптической микрореологии сложных жидкостей и гелей" (PDF) . Прогресс в области коллоидной и полимерной науки . 123 : 141– 146. doi :10.1007/b11748. ISBN 978-3-540-00553-7. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-07-21.
  4. ^ DA Weitz; DJ Pine (1993). "Спектроскопия диффузионных волн". В W. Brown (ред.). Динамическое рассеяние света . Clarendon Press . С.  652–720 . ISBN 978-0-19-853942-1.
  5. ^ Грациани, Гийом; Кинг, Джон Т.; Амблар, Франсуа (2022-08-30). «Спектроскопия рассеяния с усилением резонатором выявляет динамику белков и наночастиц в квазипрозрачных и миниатюрных образцах». ACS Nano . 16 (10): 16796– 16805. arXiv : 2111.09616 . doi :10.1021/acsnano.2c06471. ISSN  1936-0851. PMID  36039927. S2CID  244345602.
  6. ^ «Метод рассеяния света раскрывает свойства мягких твердых тел».
  7. ^ П. Захаров; Ф. Кардино; Ф. Шеффолд (2006). "Мультиспекловая спектроскопия диффузионных волн с одномодовой схемой детектирования". Physical Review E. 73 ( 1): 011413. arXiv : cond-mat/0509637 . Bibcode : 2006PhRvE..73a1413Z. doi : 10.1103/PhysRevE.73.011413. PMID  16486146. S2CID  6251182.
  8. ^ L. Brunel; A. Brun; P. Snabre; L. Cipelletti (2007). «Адаптивная интерферометрия спекл-изображений: новый метод анализа динамики микроструктуры, процессов сушки и формирования покрытий». Optics Express . 15 (23): 15250– 15259. arXiv : 0711.1219 . Bibcode : 2007OExpr..1515250B. doi : 10.1364/OE.15.015250. PMID  19550809. S2CID  5753232.
  • Обзор спектроскопии диффузных волн с видео
  • Обзор спектроскопии диффузных волн с анимациями. Архивировано 20 мая 2014 г. на Wayback Machine
  • Определение размера частиц с помощью спектроскопии диффузных волн. Архивировано 20 мая 2014 г. на Wayback Machine.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Спектроскопия_рассеивающих_волн&oldid=1201668753"