تحليل حيود الليزر

تحليل حيود الليزر ، المعروف أيضًا باسم مطيافية حيود الليزر ، هو تقنية تستخدم أنماط حيود شعاع الليزر المار عبر أي جسم يتراوح حجمه من النانومترات إلى المليمترات ^{[ 1 ]} لقياس الأبعاد الهندسية للجسيمات بسرعة. لا تعتمد عملية تحليل حجم الجسيمات هذه على معدل التدفق الحجمي ، أي كمية الجسيمات التي تمر عبر سطح ما مع مرور الوقت. ^{[ 2 ]}

يعتمد تحليل حيود الليزر في الأصل على نظرية فراونهوفر للحيود ، التي تنص على أن شدة الضوء المتشتت بواسطة جسيم تتناسب طرديًا مع حجم الجسيم. ^{[ 4 ]} وتوجد علاقة عكسية بين زاوية شعاع الليزر وحجم الجسيم، حيث تزداد زاوية شعاع الليزر مع انخفاض حجم الجسيم والعكس صحيح. ^{[ 5 ]} ويُستخدم نموذج تشتت مي ، أو نظرية مي، كبديل لنظرية فراونهوفر منذ تسعينيات القرن الماضي.

تتيح أجهزة تحليل حيود الليزر التجارية للمستخدم اختيار استخدام نظرية فراونهوفر أو نظرية مي لتحليل البيانات، مما يُبرز أهمية فهم نقاط القوة والقيود لكلتا النظريتين. تأخذ نظرية فراونهوفر في الحسبان فقط ظواهر الحيود التي تحدث على محيط الجسيم. وتكمن ميزتها الرئيسية في أنها لا تتطلب أي معرفة بالخصائص البصرية ( معامل الانكسار المركب ) لمادة الجسيم. ولذلك، تُطبق عادةً على عينات ذات خصائص بصرية غير معروفة، أو على مخاليط من مواد مختلفة. أما بالنسبة للعينات ذات الخصائص البصرية المعروفة، فينبغي تطبيق نظرية فراونهوفر فقط على الجسيمات التي يبلغ قطرها المتوقع عشرة أضعاف طول موجة مصدر الضوء على الأقل، و/أو على الجسيمات المعتمة. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

تعتمد نظرية مي على قياس تشتت الموجات الكهرومغناطيسية على الجسيمات الكروية. ولذلك، فهي لا تأخذ في الحسبان حيود الضوء على محيط الجسيم فحسب، بل أيضًا ظواهر الانكسار والانعكاس والامتصاص داخل الجسيم وعلى سطحه. ^{[ 6 ]} وبالتالي، تُعد هذه النظرية أنسب من نظرية فراونهوفر للجسيمات التي لا يزيد حجمها بشكل ملحوظ عن الطول الموجي لمصدر الضوء، وللجسيمات الشفافة. يتمثل القيد الرئيسي لهذا النموذج في أنه يتطلب معرفة دقيقة بمعامل الانكسار المركب (بما في ذلك معامل الامتصاص) لمادة الجسيم. ويُعتقد عمومًا أن الحد الأدنى النظري للكشف عن حيود الليزر، باستخدام نظرية مي، يقع في حدود 10  نانومتر.

تُجرى تحليلات حيود الليزر عادةً باستخدام ليزر هيليوم-نيون أحمر أو ثنائي ليزري ، ومصدر طاقة عالي الجهد ، وتغليف هيكلي. ^{[ 8 ]} ويمكن بدلاً من ذلك استخدام ثنائيات ليزرية زرقاء أو مصابيح LED ذات أطوال موجية أقصر. يؤثر مصدر الضوء على حدود الكشف، حيث تُعدّ الليزرات ذات الأطوال الموجية الأقصر أنسب للكشف عن الجسيمات دون الميكرونية. يتم الكشف عن زاوية طاقة الضوء الناتجة عن الليزر من خلال تمرير شعاع ضوئي عبر تدفق من الجسيمات المتناثرة ثم إلى مستشعر . توضع عدسة بين الجسم المراد تحليله ونقطة تركيز الكاشف، مما يؤدي إلى ظهور حيود الليزر المحيط فقط. تعتمد الأحجام التي يمكن لليزر تحليلها على البعد البؤري للعدسة ، أي المسافة من العدسة إلى نقطة تركيزها. مع زيادة البعد البؤري، تزداد المساحة التي يمكن لليزر الكشف عنها، مما يُظهر علاقة طردية.

تُستخدم عدة كواشف ضوئية لجمع الضوء المنحرف، وتُوضع بزوايا ثابتة بالنسبة لشعاع الليزر. يؤدي زيادة عدد عناصر الكاشف إلى زيادة الحساسية وحدود الحجم. بعد ذلك، يُمكن استخدام الحاسوب للكشف عن أحجام جسيمات الجسم من طاقة الضوء المُنتجة وتوزيعها، والذي يستخلصه الحاسوب من البيانات المُجمعة حول ترددات الجسيمات وأطوال موجاتها . ^{[ 5 ]}

من الناحية العملية، يمكن لأجهزة حيود الليزر قياس الجسيمات في معلقات سائلة، باستخدام مذيب ناقل، أو على شكل مساحيق جافة، باستخدام الهواء المضغوط أو ببساطة الجاذبية لتحريك الجسيمات. أما الرذاذات والهباء الجوي فتتطلب عمومًا إعدادًا خاصًا. ^{[ 9 ]}

تم استخدام تحليل حيود الليزر لقياس الأجسام ذات الحجم الجسيمي في حالات مثل:

• مراقبة توزيع نسيج التربة والرواسب مثل الطين والطمي ، مع التركيز على الطمي وأحجام عينات الطين الأكبر حجماً. ^{[ 15 ]}
• تحديد القياسات الموضعية للجسيمات في مصبات الأنهار . تُعدّ الجسيمات في مصبات الأنهار مهمة لأنها تُسهّل حركة المواد الكيميائية الطبيعية أو الملوثة. ويُعدّ حجم الجسيمات وكثافتها واستقرارها في مصبات الأنهار عوامل مهمة في نقلها. يُستخدم تحليل حيود الليزر هنا لمقارنة توزيعات أحجام الجسيمات لدعم هذا الادعاء، بالإضافة إلى تحديد دورات التغير في مصبات الأنهار التي تحدث بسبب أنواع مختلفة من الجسيمات. ^{[ 16 ]}
• تمت مقارنة استقرار التربة عند البلل، واستقرار تكتلات التربة (الكتل المتماسكة بفعل الطين الرطب) ^{[ 17 ]} وتشتت الطين (انفصال الطين في التربة الرطبة) ^{[ 18 ]} ، وهما حالتان مختلفتان للتربة في منطقة السافانا سيرادو ، باستخدام تحليل حيود الليزر لتحديد ما إذا كان للحرث تأثير عليهما. أُجريت القياسات قبل الحرث وبعده لفترات زمنية مختلفة. تبين أن تشتت الطين لا يتأثر بالحرث، بينما يتأثر تكتل التربة. ^{[ 19 ]}
• قابلية تشوه كريات الدم الحمراء تحت تأثير القص. ^{[ 20 ]} نتيجة لظاهرة خاصة تُسمى " الدوران المحوري" ، ^{[ 20 ]} يدور غشاء كريات الدم الحمراء (خلايا الدم الحمراء) بالنسبة لقوة القص وسيتوبلازم الخلية، مما يؤدي إلى توجيه كريات الدم الحمراء. تُظهر كريات الدم الحمراء الموجهة والممتدة نمط حيود يُمثل الحجم الظاهري للجسيمات في كل اتجاه، مما يُتيح قياس قابلية تشوه كريات الدم الحمراء وقابلية توجيهها. في جهاز قياس تشوه كريات الدم الحمراء ^{[ 21 ]} ، يُمكن قياس قابلية تشوه كريات الدم الحمراء تحت تأثير تغيرات الضغط الأسموزي أو ضغط الأكسجين ، ويُستخدم هذا القياس في تشخيص ومتابعة فقر الدم الانحلالي الخلقي . ^{[ 22 ]}

بما أن تحليل حيود الليزر ليس الطريقة الوحيدة لقياس الجسيمات، فقد تمت مقارنته بطريقة المنخل والماصة، وهي تقنية تقليدية لتحليل حجم الحبيبات . أظهرت المقارنة أن تحليل حيود الليزر يتميز بسرعة الحسابات وسهولة إعادة إنتاجها بعد تحليل واحد، كما أنه لا يتطلب أحجام عينات كبيرة، وينتج كميات هائلة من البيانات. ويمكن معالجة النتائج بسهولة لأن البيانات موجودة على سطح رقمي. تستطيع كلتا الطريقتين، المنخل والماصة، تحليل الجسيمات متناهية الصغر، إلا أن تحليل حيود الليزر يتميز بدقة أعلى من الطريقة الأخرى لقياس الجسيمات. ^{[ 23 ]}

تم التشكيك في صحة تحليل حيود الليزر في المجالات التالية: ^{[ 24 ] [ 25 ]}

• تتضمن الافتراضات وجود جزيئات ذات تكوينات عشوائية وقيم حجمية مختلفة. في بعض وحدات التشتت، تبين أن الجزيئات تصطف معًا بدلاً من أن يكون لها تدفق مضطرب ، مما يجعلها تتجه في اتجاه منظم.
• لا تخضع الخوارزميات المستخدمة في تحليل حيود الليزر للتحقق الكامل. وفي بعض الأحيان، تُستخدم خوارزميات مختلفة لجعل البيانات المجمعة تتطابق مع الافتراضات التي وضعها المستخدمون، وذلك في محاولة لتجنب البيانات التي تبدو غير صحيحة.
• قد تحدث أخطاء في القياس بسبب الحواف الحادة للأجسام. يُمكن لتحليل حيود الليزر أن يكشف عن جسيمات وهمية عند الحواف الحادة نظرًا للزوايا الكبيرة التي تُشكلها أشعة الليزر عليها.
• بالمقارنة مع جمع البيانات باستخدام التصوير البصري ، وهي تقنية أخرى لتحديد حجم الجسيمات، كان الارتباط بينهما ضعيفًا بالنسبة للجسيمات غير الكروية. ويعود ذلك إلى أن نظريتي فراونهوفر ومي الأساسيتين لا تغطيان إلا الجسيمات الكروية. أما الجسيمات غير الكروية فتُسبب أنماط تشتت أكثر انتشارًا، ما يجعل تفسيرها أكثر صعوبة. وقد أضاف بعض المصنّعين خوارزميات إلى برامجهم تُساعد جزئيًا في التعويض عن تأثير الجسيمات غير الكروية.

• التصوير المقطعي الحيودي
• قائمة مقالات الليزر
• توزيع حجم الجسيمات