Análisis de difracción láser

El análisis de difracción láser , también conocido como espectroscopia de difracción láser , es una tecnología que utiliza los patrones de difracción de un haz láser que atraviesa cualquier objeto, desde nanómetros hasta milímetros de tamaño ^{[ 1 ],} para medir rápidamente las dimensiones geométricas de una partícula. Este proceso de análisis del tamaño de partículas no depende del caudal volumétrico , es decir, de la cantidad de partículas que atraviesan una superficie en un tiempo determinado. ^{[ 2 ]}

El análisis de difracción láser se basa originalmente en la teoría de difracción de Fraunhofer , que establece que la intensidad de la luz dispersada por una partícula es directamente proporcional a su tamaño. ^{[ 4 ]} El ángulo del haz láser y el tamaño de la partícula presentan una relación inversamente proporcional, de modo que el ángulo del haz láser aumenta a medida que disminuye el tamaño de la partícula y viceversa. ^{[ 5 ]} El modelo de dispersión de Mie , o teoría de Mie, se utiliza como alternativa a la teoría de Fraunhofer desde la década de 1990.

Los analizadores de difracción láser comerciales permiten al usuario elegir entre la teoría de Fraunhofer o la de Mie para el análisis de datos, de ahí la importancia de comprender las ventajas y limitaciones de ambos modelos. La teoría de Fraunhofer solo considera los fenómenos de difracción que ocurren en el contorno de la partícula. Su principal ventaja es que no requiere conocer las propiedades ópticas ( índice de refracción complejo ) del material de la partícula. Por lo tanto, se suele aplicar a muestras con propiedades ópticas desconocidas o a mezclas de diferentes materiales. Para muestras con propiedades ópticas conocidas, la teoría de Fraunhofer solo debe aplicarse a partículas con un diámetro esperado al menos 10 veces mayor que la longitud de onda de la fuente de luz, y/o a partículas opacas. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

La teoría de Mie se basa en la medición de la dispersión de ondas electromagnéticas en partículas esféricas. Por lo tanto, considera no solo la difracción en el contorno de la partícula, sino también los fenómenos de refracción, reflexión y absorción dentro de la partícula y en su superficie. ^{[ 6 ]} Así, esta teoría es más adecuada que la teoría de Fraunhofer para partículas que no son significativamente mayores que la longitud de onda de la fuente de luz, y para partículas transparentes. La principal limitación del modelo es que requiere un conocimiento preciso del índice de refracción complejo (incluido el coeficiente de absorción) del material de la partícula. El límite inferior de detección teórica de la difracción láser, utilizando la teoría de Mie, se considera generalmente alrededor de 10  nm.

El análisis de difracción láser se realiza típicamente mediante un láser He-Ne rojo o un diodo láser , una fuente de alimentación de alto voltaje y un encapsulado estructural. ^{[ 8 ]} Alternativamente, se pueden usar diodos láser azules o LED de longitud de onda más corta. La fuente de luz afecta los límites de detección, siendo los láseres de longitudes de onda más cortas más adecuados para la detección de partículas submicrométricas. El ángulo de la energía de la luz producida por el láser se detecta haciendo pasar un haz de luz a través de un flujo de partículas dispersas y luego hacia un sensor . Se coloca una lente entre el objeto que se está analizando y el punto focal del detector, lo que hace que solo aparezca la difracción láser circundante. Los tamaños que el láser puede analizar dependen de la distancia focal de la lente , la distancia desde la lente hasta su punto focal. A medida que aumenta la distancia focal, el área que el láser puede detectar también aumenta, mostrando una relación proporcional.

Se utilizan múltiples detectores de luz para captar la luz difractada, los cuales se colocan en ángulos fijos con respecto al haz láser. Un mayor número de elementos detectores amplía la sensibilidad y los límites de tamaño. Posteriormente, se puede utilizar un ordenador para detectar el tamaño de las partículas del objeto a partir de la energía lumínica producida y su disposición, que el ordenador deduce de los datos recopilados sobre las frecuencias y longitudes de onda de las partículas . ^{[ 5 ]}

En términos prácticos, los instrumentos de difracción láser pueden medir partículas en suspensión líquida, utilizando un disolvente portador, o como polvos secos, empleando aire comprimido o simplemente la gravedad para movilizar las partículas. Los aerosoles y pulverizaciones generalmente requieren una configuración específica. ^{[ 9 ]}

El análisis de difracción láser se ha utilizado para medir objetos del tamaño de partículas en situaciones como las siguientes:

• observar la distribución de la textura del suelo y los sedimentos como la arcilla y el lodo , con énfasis en el limo y los tamaños de las muestras más grandes de arcilla. ^{[ 15 ]}
• Determinación de mediciones in situ de partículas en estuarios . Las partículas en los estuarios son importantes, ya que permiten que especies químicas naturales o contaminantes se muevan con facilidad. El tamaño, la densidad y la estabilidad de las partículas en los estuarios son importantes para su transporte. Aquí se utiliza el análisis de difracción láser para comparar las distribuciones de tamaño de partículas y respaldar esta afirmación, así como para encontrar ciclos de cambio en los estuarios que ocurren debido a diferentes partículas. ^{[ 16 ]}
• El suelo y su estabilidad cuando está húmedo. La estabilidad de la agregación del suelo (grumos unidos por arcilla húmeda) ^{[ 17 ]} y la dispersión de la arcilla (arcilla que se separa en suelo húmedo) ^{[ 18 ]} , los dos estados diferentes del suelo en la región de la sabana del Cerrado , se compararon con el análisis de difracción láser para determinar si el arado tenía algún efecto sobre ambos. Se realizaron mediciones antes y después del arado durante diferentes intervalos de tiempo. La dispersión de la arcilla no se vio afectada por el arado, mientras que la agregación del suelo sí. ^{[ 19 ]}
• deformabilidad de los eritrocitos bajo cizallamiento. ^{[ 20 ]} Debido a un fenómeno especial llamado " pisada de tanque" , ^{[ 20 ]} la membrana del eritrocito (glóbulo rojo, GR) rota con respecto a la fuerza de cizallamiento y el citoplasma de la célula , lo que provoca que los GR se orienten. Los glóbulos rojos orientados y estirados tienen un patrón de difracción que representa el tamaño aparente de las partículas en cada dirección, lo que permite medir la deformabilidad de los eritrocitos y la orientabilidad de las células. En un ektacitómetro ^{[ 21 ]} la deformabilidad de los eritrocitos se puede medir bajo estrés osmótico o tensión de oxígeno cambiantes y se utiliza en el diagnóstico y seguimiento de anemias hemolíticas congénitas . ^{[ 22 ]}

Dado que el análisis de difracción láser no es el único método para medir partículas, se ha comparado con el método de tamizado y pipeta, una técnica tradicional para el análisis del tamaño de grano . La comparación reveló que el análisis de difracción láser realizaba cálculos rápidos y fáciles de reproducir tras un único análisis, no requería muestras de gran tamaño y generaba grandes cantidades de datos. Los resultados se pueden manipular fácilmente, ya que los datos se encuentran en formato digital. Tanto el método de tamizado y pipeta como el análisis de difracción láser permiten analizar objetos minúsculos, pero el análisis de difracción láser resultó ser más preciso que su método de medición de partículas. ^{[ 23 ]}

El análisis de difracción láser ha sido cuestionado en cuanto a su validez en las siguientes áreas: ^{[ 24 ] [ 25 ]}

• Suposiciones que incluyen que las partículas tengan configuraciones y valores de volumen aleatorios. En algunas unidades de dispersión, se ha demostrado que las partículas se alinean entre sí en lugar de tener un flujo turbulento , lo que hace que se dirijan en una dirección ordenada.
• Los algoritmos utilizados en el análisis de difracción láser no están completamente validados. En ocasiones, se utilizan diferentes algoritmos para que los datos recopilados coincidan con las suposiciones de los usuarios, con el fin de evitar datos que parezcan incorrectos.
• Las imprecisiones en las mediciones se deben a los bordes afilados de los objetos. El análisis de difracción láser puede detectar partículas imaginarias en los bordes afilados debido a los grandes ángulos que los láseres forman sobre ellos.
• En comparación con la recopilación de datos mediante imágenes ópticas , otra técnica para determinar el tamaño de las partículas, la correlación entre ambas fue baja para partículas no esféricas. Esto se debe a que las teorías subyacentes de Fraunhofer y Mie solo abarcan partículas esféricas. Las partículas no esféricas generan patrones de dispersión más difusos y son más difíciles de interpretar. Algunos fabricantes han incluido algoritmos en su software que pueden compensar parcialmente el efecto de las partículas no esféricas.

• Tomografía de difracción
• Lista de artículos sobre láser
• Distribución del tamaño de las partículas