Laser diffraction

Wofür wird Laserbeugung eingesetzt?

Laserbeugung ist eine beliebte Methode zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung in Flüssigkeiten und trockenen Pulvern für Qualitätskontroll- und Prozessoptimierungszwecke. Sie wird häufig bei der Herstellung von Arzneimitteln, Chemikalien, Lebensmitteln und Baustoffen eingesetzt. Laserbeugung kann auch für Umweltüberwachung verwendet werden, um Partikelmaterial in verschiedenen Medien zu charakterisieren, etwa in Boden-, Sediment- und Schlammproben.

Wie funktioniert die Laserbeugung?

Das Funktionsprinzip der Laserbeugung basiert auf der indirekten Berechnung von Partikelgrößen aus den Beugungsmustern von Partikeln. Während der Analyse wird ein Laserstrahl durch die Probe geleitet und die Intensität des von den suspendierten Partikeln gestreuten Lichts wird als Funktion des Streuwinkels, der Lichtwellenlänge und der Lichtpolarisation gemessen. Anschließend wird mithilfe eines mathematischen Modells, das auf den Theorien von Fraunhofer und Mie basiert, die Partikelgrößenverteilung bestimmt.

Wenn Laserlicht mit Partikeln interagiert, wird es in Mustern gestreut. Gemäß der Fraunhofer-Beugungstheorie streuen größere Partikel Licht mit hoher Intensität in kleineren Winkeln, während kleinere Partikel Licht mit geringerer Intensität in größeren Winkeln streuen. Ein Laserbeugungsinstrument berechnet die Partikelgrößenverteilung durch Messung der Intensität und der Winkel des gestreuten Lichts. Für eine genauere Analyse, insbesondere bei kleinen Partikeln, kann die Mie-Theorie angewendet werden, um zusätzlich zur Beugung auch Brechung und Reflexion zu berücksichtigen. Um die Mie-Theorie anzuwenden, muss der Brechungsindex der Partikel und des Mediums bekannt sein.

Probenauswahl und -vorbereitung

Laserbeugung eignet sich für nasse und trockene Proben. Trockene Proben können in einem Luftstrom analysiert werden, wobei das Rezirkulationssystem des Geräts eine vollständige Homogenisierung gewährleistet. Alternativ können sie in einem geeigneten, nicht lösenden flüssigen Medium dispergiert werden. Ebenfalls kann die Tröpfchengröße von Flüssigkeiten, die aus Handpumpen, Düsen und Aerosolen gesprüht werden, gemessen werden.

Vorteile und Grenzen

Laserbeugung hat einen weiten dynamischen Bereich, da sie Partikel von ~0,01 µm bis 2.000 µm erfassen kann. Sie ist außerdem eine kosteneffiziente, schnelle und reproduzierbare Methode für die routinemäßige PSD-Analyse und kann nach einer internationalen Norm (ISO 13320) durchgeführt werden.

Die auffälligste Einschränkung ist die Annahme, dass alle Signale von idealtypisch kugelförmigen Partikeln stammen, wodurch sich die Laserbeugung nicht zur Bestimmung der Partikelform eignet. Unregelmäßig geformte Partikel, insbesondere solche mit einem hohen Aspektverhältnis, führen zudem zu breiten Größenverteilungen, da sowohl Breite als auch Länge als einzelne Partikel gezählt werden.

Geeignetere Methoden für nicht-sphärische Partikel umfassen Größen- und Formanalyse mit einem Bildanalysegerät und Rasterelektronenmikroskopie (REM).

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