การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์หรือที่รู้จักกันในชื่อสเปกโทรสโกปีการเลี้ยวเบนของเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ รูปแบบ การเลี้ยวเบนของลำแสงเลเซอร์ที่ผ่านวัตถุใดๆ ที่มีขนาดตั้งแต่ระดับนาโนเมตรถึงมิลลิเมตร^{[ 1 ]}เพื่อวัดขนาดทางเรขาคณิตของอนุภาคได้อย่างรวดเร็ว กระบวนการ วิเคราะห์ขนาดอนุภาค นี้ ไม่ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลเชิงปริมาตรซึ่งเป็นปริมาณของอนุภาคที่ผ่านพื้นผิวในช่วงเวลาหนึ่ง^{[ 2 ]}

การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์มีพื้นฐานมาจาก ทฤษฎี การเลี้ยวเบนของ Fraunhoferซึ่งระบุว่าความเข้มของแสงที่กระเจิงโดยอนุภาคเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของอนุภาค^{[ 4 ]}มุมของลำแสงเลเซอร์และขนาดของอนุภาคมีความสัมพันธ์แบบผกผัน โดยมุมของลำแสงเลเซอร์จะเพิ่มขึ้นเมื่อขนาดของอนุภาคลดลงและในทางกลับกัน^{[ 5 ]}แบบ จำลอง การกระเจิงของ Mieหรือทฤษฎี Mie ถูกนำมาใช้เป็นทางเลือกแทนทฤษฎี Fraunhofer ตั้งแต่ช่วงปี 1990

เครื่องวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์เชิงพาณิชย์เปิดโอกาสให้ผู้ใช้เลือกใช้ทฤษฎี Fraunhofer หรือ Mie ในการวิเคราะห์ข้อมูล ดังนั้นจึงมีความสำคัญที่จะต้องเข้าใจจุดแข็งและข้อจำกัดของทั้งสองแบบจำลอง ทฤษฎี Fraunhofer พิจารณาเฉพาะปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนที่เกิดขึ้นที่ขอบของอนุภาคเท่านั้น ข้อได้เปรียบหลักคือไม่จำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางแสง ( ดัชนีหักเหเชิงซ้อน ) ของวัสดุของอนุภาค ดังนั้นจึงมักใช้กับตัวอย่างที่มีคุณสมบัติทางแสงที่ไม่ทราบ หรือกับส่วนผสมของวัสดุที่แตกต่างกัน สำหรับตัวอย่างที่มีคุณสมบัติทางแสงที่ทราบ ทฤษฎี Fraunhofer ควรใช้เฉพาะกับอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่คาดว่าจะใหญ่กว่าความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงอย่างน้อย 10 เท่า และ/หรือกับอนุภาคทึบแสง^{[ 6 ] [ 7 ]}

ทฤษฎี Mie อิงจากการวัดการกระเจิงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบนอนุภาคทรงกลม ดังนั้นจึงคำนึงถึงไม่เพียงแต่การเลี้ยวเบนที่ขอบของอนุภาคเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปรากฏการณ์การหักเห การสะท้อน และการดูดกลืนภายในอนุภาคและที่พื้นผิวของอนุภาคด้วย^{[ 6 ]}ด้วยเหตุนี้ ทฤษฎีนี้จึงเหมาะสมกว่าทฤษฎี Fraunhofer สำหรับอนุภาคที่มีขนาดไม่ใหญ่กว่าความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงอย่างมีนัยสำคัญ และสำหรับอนุภาคโปร่งใส ข้อจำกัดหลักของแบบจำลองนี้คือต้องมีความรู้ที่แม่นยำเกี่ยวกับดัชนีการหักเหเชิงซ้อน (รวมถึงสัมประสิทธิ์การดูดกลืน) ของวัสดุของอนุภาค โดยทั่วไปแล้วขีดจำกัดการตรวจจับทางทฤษฎีต่ำสุดของการเลี้ยวเบนของเลเซอร์โดยใช้ทฤษฎี Mie ถือว่าอยู่ที่ประมาณ 10 นาโนเมตร

โดยทั่วไป การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์จะดำเนินการโดยใช้เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน สีแดง หรือเลเซอร์ไดโอดแหล่ง จ่ายไฟ แรงดันสูงและบรรจุภัณฑ์โครงสร้าง^{[ 8 ]}หรืออาจใช้เลเซอร์ไดโอดสีน้ำเงินหรือ LED ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าก็ได้ แหล่งกำเนิดแสงมีผลต่อขีดจำกัดการตรวจจับ โดยเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าจะเหมาะสมกว่าสำหรับการตรวจจับอนุภาคขนาดเล็กกว่าไมครอน การตรวจจับมุมของพลังงานแสงที่ผลิตโดยเลเซอร์ทำได้โดยการให้ลำแสงผ่านกระแสของอนุภาคที่กระจายตัวแล้วไปยังเซ็นเซอร์เลนส์ จะถูกวางไว้ระหว่างวัตถุที่กำลังวิเคราะห์และจุดโฟกัสของตัวตรวจจับ ทำให้ปรากฏเฉพาะการเลี้ยวเบน ของเลเซอร์โดยรอบเท่านั้น ขนาดที่เลเซอร์สามารถวิเคราะห์ได้ขึ้นอยู่กับความยาวโฟกัส ของเลนส์ ซึ่งเป็นระยะทางจากเลนส์ไปยังจุดโฟกัส เมื่อความยาวโฟกัสเพิ่มขึ้น พื้นที่ที่เลเซอร์สามารถตรวจจับได้ก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน โดยแสดงความสัมพันธ์แบบสัดส่วน

มีการใช้ตัวตรวจจับแสงหลายตัวเพื่อรวบรวมแสงที่เลี้ยวเบน ซึ่งวางไว้ที่มุมคงที่เมื่อเทียบกับลำแสงเลเซอร์ องค์ประกอบตัวตรวจจับที่มากขึ้นจะขยายขีดจำกัดความไวและขนาด จากนั้นสามารถใช้คอมพิวเตอร์ในการตรวจจับขนาดอนุภาคของวัตถุจากพลังงานแสงที่ผลิตและรูปแบบ ซึ่งคอมพิวเตอร์จะคำนวณจากข้อมูลที่รวบรวมเกี่ยวกับความถี่และความยาวคลื่นของอนุภาค^{[ 5 ]}

ในทางปฏิบัติ เครื่องมือเลเซอร์ดิฟแฟรกชันสามารถวัดอนุภาคในสารแขวนลอยของเหลวโดยใช้ตัวทำละลายพาหะ หรือเป็นผงแห้งโดยใช้ลมอัดหรือแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียวเพื่อเคลื่อนย้ายอนุภาค สเปรย์และละอองลอยโดยทั่วไปต้องใช้การตั้งค่าเฉพาะ^{[ 9 ]}

เนื่องจากพลังงานแสงที่บันทึกโดยอาร์เรย์ตัวตรวจจับเป็นสัดส่วนกับปริมาตรของอนุภาค ผลลัพธ์ของการเลี้ยวเบนของเลเซอร์จึงมีน้ำหนักตามปริมาตรโดยเนื้อแท้^{[ 10 ]}ซึ่งหมายความว่าการกระจายขนาดอนุภาคแสดงถึงปริมาตรของวัสดุอนุภาคในชั้นขนาดต่างๆ ซึ่งแตกต่างจากวิธีการทางแสงแบบนับจำนวน เช่นกล้องจุลทรรศน์หรือการวิเคราะห์ภาพแบบไดนามิกซึ่งรายงานจำนวนอนุภาคในชั้นขนาดต่างๆ^{[ 11 ]}การที่แสงเลี้ยวเบนเป็นสัดส่วนกับปริมาตรของอนุภาคยังหมายความว่าผลลัพธ์นั้นถือว่าอนุภาคมีรูปร่างทรงกลม กล่าวคือ ผลลัพธ์ขนาดอนุภาคมีเส้นผ่านศูนย์กลางทรงกลมเทียบเท่าดังนั้นจึงไม่สามารถกำหนดรูปร่างของอนุภาคได้ด้วยเทคนิคนี้

การแสดงผลกราฟิกหลักของผลลัพธ์การเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์คือการกระจายขนาดอนุภาคถ่วงน้ำหนักตามปริมาตร ซึ่งอาจแสดงเป็นการกระจายความหนาแน่น (ซึ่งเน้นโหมดต่างๆ) หรือเป็นการ กระจายขนาด เล็ก สะสม

ผลลัพธ์การเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์เชิงตัวเลขที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ได้แก่:

• ค่ามัธยฐานของเส้นผ่านศูนย์กลางถ่วงน้ำหนักตามปริมาตร หรือD ₅₀ได้มาจากเส้นโค้งสะสม โดยแสดงถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคที่แบ่งข้อมูล 50% บนออกจากข้อมูล 50% ล่าง
• ค่า D ₁₀และ D ₉₀ก็ได้มาจากเส้นโค้งสะสมเช่นกัน
• เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักตามปริมาตร หรือเรียกอีกอย่างว่า D[4,3] หรือ เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย ของDe Brouckere
• ช่วงซึ่งให้การวัดความกว้างของการกระจายขนาดอนุภาคและคำนวณเป็นช่วง = [D ⁹⁰ _– D ₁₀ ]/D ₅₀ [ ^{12 ]}

มาตรฐานที่สอดคล้องกันสำหรับความถูกต้องและความแม่นยำของการวัดการเลี้ยวเบนของเลเซอร์ได้รับการกำหนดไว้ทั้งโดยISOในมาตรฐาน ISO 13320:2020 ^{[ 13 ]}และโดยเภสัชตำรับของสหรัฐอเมริกาในบท USP <429> ^{[ 14 ]}

การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์ถูกนำมาใช้ในการวัดขนาดอนุภาคของวัตถุในสถานการณ์ต่างๆ เช่น:

• สังเกตการกระจายตัวของเนื้อดินและตะกอนเช่นดินเหนียวและโคลนโดยเน้นที่ตะกอนละเอียดและขนาดของตัวอย่างดินเหนียวขนาดใหญ่^{[ 15 ]}
• การกำหนดการวัดอนุภาคในปากแม่น้ำณ สถานที่จริงอนุภาคในปากแม่น้ำมีความสำคัญเนื่องจากช่วยให้สารเคมีตามธรรมชาติหรือสารมลพิษเคลื่อนที่ไปมาได้ง่าย ขนาด ความหนาแน่น และความเสถียรของอนุภาคในปากแม่น้ำมีความสำคัญต่อการขนส่ง การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์ถูกนำมาใช้ที่นี่เพื่อเปรียบเทียบการกระจายขนาดของอนุภาคเพื่อสนับสนุนข้อกล่าวอ้างนี้ รวมถึงการค้นหาวัฏจักรของการเปลี่ยนแปลงในปากแม่น้ำที่เกิดขึ้นเนื่องจากอนุภาคที่แตกต่างกัน^{[ 16 ]}
• ดินและความเสถียรเมื่อเปียก ความเสถียรของการรวมตัวของดิน (ก้อนที่ยึดติดกันด้วยดินเหนียวชื้น) ^{[ 17 ]}และการกระจายตัวของดินเหนียว (ดินเหนียวแยกตัวในดินชื้น) ^{[ 18 ]}ซึ่งเป็นสองสถานะที่แตกต่างกันของดินใน ภูมิภาคทุ่งหญ้าสะวัน นาเซร์ราโดถูกนำมาเปรียบเทียบกับการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์เพื่อตรวจสอบว่าการไถพรวนมีผลต่อทั้งสองหรือไม่ การวัดทำก่อนการไถพรวนและหลังการไถพรวนในช่วงเวลาต่างๆ การกระจายตัวของดินเหนียวพบว่าไม่ได้รับผลกระทบจากการไถพรวน ในขณะที่การรวมตัวของดินได้รับผลกระทบ^{[ 19 ]}
• ^{ความสามารถในการเปลี่ยน รูป}ของเม็ดเลือดแดงภายใต้แรงเฉือน^{[ 20 ]}เนื่องจากปรากฏการณ์พิเศษที่เรียกว่าการเหยียบถัง [ ^{20 ]}เยื่อหุ้มของเม็ดเลือดแดง จะหมุนสัมพันธ์กับแรงเฉือนและ ไซโตพลาสซึมของเซลล์ทำให้เม็ดเลือดแดงจัดเรียงตัว เม็ดเลือดแดงที่จัดเรียงตัวและยืดออกจะมีรูปแบบการเลี้ยวเบนที่แสดงถึงขนาดอนุภาคที่ปรากฏในแต่ละทิศทาง ทำให้สามารถวัดความ สามารถใน การเปลี่ยนรูปของเม็ดเลือดแดงและความสามารถในการจัดเรียงตัวของเซลล์ได้ ในเครื่องวัด การเปลี่ยนรูปเม็ดเลือดแดง ^{[ 21 ]}สามารถวัดความสามารถในการเปลี่ยนรูปของเม็ดเลือดแดงภายใต้ความเครียดออสโมติกหรือความตึงของออกซิเจน ที่เปลี่ยนแปลง และใช้ในการวินิจฉัยและติดตาม โรคโลหิตจาง เม็ดเลือด แดงแตก แต่กำเนิด^{[ 22 ]}

เนื่องจากการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์ไม่ใช่เพียงวิธีเดียวในการวัดอนุภาค จึงได้มีการเปรียบเทียบกับวิธีการใช้ตะแกรงและปิเปต ซึ่งเป็นเทคนิคดั้งเดิมสำหรับ การวิเคราะห์ ขนาดเม็ดเมื่อเปรียบเทียบแล้ว ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์สามารถคำนวณได้อย่างรวดเร็วและง่ายต่อการสร้างใหม่หลังจากการวิเคราะห์เพียงครั้งเดียว ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวอย่างขนาดใหญ่ และสร้างข้อมูลจำนวนมาก ผลลัพธ์สามารถจัดการได้ง่ายเนื่องจากข้อมูลอยู่บนพื้นผิวดิจิทัล ทั้งวิธีการใช้ตะแกรงและปิเปตและการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์สามารถวิเคราะห์วัตถุขนาดเล็กได้ แต่การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์ส่งผลให้มีความแม่นยำดีกว่าวิธีการวัดอนุภาคแบบอื่น^{[ 23 ]}

การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของเลเซอร์ถูกตั้งคำถามถึงความถูกต้องในด้านต่อไปนี้: ^{[ 24 ] [ 25 ]}

• ข้อสมมติฐานต่างๆ รวมถึงการจัดเรียงตัวและปริมาตรของอนุภาคแบบสุ่ม ในหน่วยการกระจายตัวบางหน่วย พบว่าอนุภาคเรียงตัวกันเองแทนที่จะเกิดการไหลแบบปั่นป่วนทำให้พวกมันเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่เป็นระเบียบ
• อัลกอริทึมที่ใช้ในการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์ยังไม่ได้รับการตรวจสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วน บางครั้งมีการใช้อัลกอริทึมที่แตกต่างกันเพื่อให้ข้อมูลที่รวบรวมได้ตรงกับสมมติฐานที่ผู้ใช้ตั้งไว้ เพื่อพยายามหลีกเลี่ยงข้อมูลที่ดูไม่ถูกต้อง
• ความคลาดเคลื่อนในการวัดเกิดจากขอบคมของวัตถุ การวิเคราะห์ด้วยการเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์มีโอกาสที่จะตรวจจับอนุภาคที่ไม่มีอยู่จริงบริเวณขอบคม เนื่องจากมุมที่แสงเลเซอร์ทำกับขอบเหล่านั้นมีขนาดใหญ่
• เมื่อเปรียบเทียบกับการเก็บรวบรวมข้อมูลด้วย วิธีการถ่าย ภาพด้วยแสง ซึ่งเป็นอีกเทคนิคหนึ่งในการวัดขนาดอนุภาค พบว่าความสัมพันธ์ระหว่างสองวิธีนี้ไม่ดีนักสำหรับอนุภาคที่ไม่เป็นทรงกลม เนื่องจากทฤษฎี Fraunhofer และ Mie ที่ใช้เป็นพื้นฐานนั้นครอบคลุมเฉพาะอนุภาคทรงกลมเท่านั้น อนุภาคที่ไม่เป็นทรงกลมทำให้เกิดรูปแบบการกระเจิงที่กระจายตัวมากกว่าและตีความได้ยากกว่า ผู้ผลิตบางรายได้เพิ่มอัลกอริทึมในซอฟต์แวร์ของตนเพื่อชดเชยอนุภาคที่ไม่เป็นทรงกลมได้บางส่วน

• การถ่ายภาพรังสีแบบเลี้ยวเบน
• รายชื่อบทความเกี่ยวกับเลเซอร์
• การกระจายขนาดอนุภาค