22Feb.2022
物性分析

【界達電位粒徑分析儀】雷射粒徑分析儀的『雷射光』會造成樣品劣變嗎?

前言
雷射粒徑分析儀中,可以說是雷射粒徑分析儀最重要的兩個部位就是『光源』與『檢出器』。

隨著時代演進這樣個硬件也有飛躍性的成長,從早期的He-Ne雷射加PMT(光電子倍增管)配上90度角量測,演進到目前的半導體雷射APD(雪崩式二極體)配上背向光量測。

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圖.早期雷射粒徑分析儀 LPA-3000 otuska(1986年)

可以說受惠於雷射光強度及檢出器種類(感度提升)的變化,讓粒徑分析不再侷限於90度角,得以收到背向散射光量測到不透光樣品。
今天我們先針對光源部分,檢出器及背向散射技術我們日後再詳述。
 
雷射光種類與比較

先上警語粒徑分析儀的雷射光源屬於3b等級,請勿直視雷射光源。

大塚電子早期(約2000年以前)光源部分採用氣態雷射(下皆指He-Ne雷射),進到2000年以後光源演進成半導體雷射,首先上簡單比較表。
  功率 波長 成本 衰減 體積
氣體雷射 數mW 固定(632.8 nm) 較低 會隨時間衰減
半導體雷射 數十mW 隨種類不同 較高 半永久
氣體雷射為發展最早的雷射種類,技術十分成熟,具有高同調性,低擴散角,低成本等等優點。早期大量投入於實驗儀器用光源,後因功率無法有效提高逐漸被其他種類雷射替換。
其他也廣泛用於光通訊等,近期更有使用於美容儀器的應用。也因為技術成熟的關係,成本也十分低廉,目前大概有0.5mW~數十mW等(常見在5mW以下),其中造價也大約落在100~10000美金。

半導體雷射受惠於近期數十年半導體工藝技術突飛猛進,半導體雷射也有長足的進步,因為其體積小輸出穩定及半永久等特性,廣泛使用在各種實驗用光源中。
在粒徑分析儀中因為半導體雷射輸出功率大約比氣體雷射高出一個order,有效提升量測濃度範圍。主要在低濃度小粒徑(低散射光強度)樣品以及高濃度(吸光樣品)會有機會使用到比較高輸出的功率。
 
雷射光會造成樣品劣變嗎?
看到這裡您可能會有個疑問,高功率的雷射會造成樣品劣變嗎?
說mW可能比較沒有概念,以常見的東西類比,雷射筆大概是1~5 mW,CD讀取頭大約是50~100 mW。
以大塚電子現行ELSZ-2000系列或是nanoSAQLA系列,皆採用半導體雷射光源,最高輸出功率是70mW。
而機台本身並不是量測所有樣品都使用100%的光強度(絕大多數樣品也不會用到100%光強度),而是會配合樣品自動調整光強
提高雷射最大輸出,是在量測極端樣品時,有更多的選擇。
那麼若是以100%強度的70mW有可能造成樣品劣變嗎?我們來做個簡單的計算。 以最常見的氫鍵能量約25~40kJ/mol為例,我們取最低25kJ/mol。
要使1莫爾的氫鍵斷裂,需要累積25kJ的能量。
毫瓦mW與kJ轉換如下。
1焦耳(J)=1瓦特×秒(W·s)
1千焦耳(kJ)=1×10^6 毫瓦×秒(mW.s)
以70mW及25kJ做計算,不考慮能量逸散100%吸收的狀況下。
25kJ/0.00007mW.s=357142秒約略等於99.2小時。
也就是說至少要累積到99.2小時以上的能量才可能造成氫鍵斷裂。
 
後記

常常會聽到坊間其他廠牌銷售團隊對我們的客戶說,以大塚的機台雷射光強度會對樣品造成影響。甚至標榜使用低功率的便宜雷射會比較好。
經過了實際計算後得到以上結果,讀到這裡您可以想想看他為何要這樣說? 而您又放心將寶貴的實驗機台交給這樣的團隊服務嗎?

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