22Feb.2022
物性分析

自動雷射粒徑分析儀的光源與偵測器該怎麼選

雷射粒徑分析儀的光源與偵測器

DLS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『偵測器』,可以說是機台的關鍵心臟部位。

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偵測器種類(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。

雷射粒徑分析儀的光源比較

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。

雷射光會損壞粒徑樣品嗎?

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。

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?
 

雷射粒徑分析儀的眼睛:偵測器比較

偵測器種類主要分為早期的PMT與近期的APD兩種,兩種檢出器皆是透過放大特定的光訊號,以達到增強訊號的目的,量測微弱光訊號的作用。
以大塚電子粒徑分析儀系列為例,偵測器種類也可簡單分類成兩種階段。

大約在2000年前期以前的機型主要是以PMT為主,其中PMT世代最後的ELS-Z系列又分成一般感度與高感度兩種。
進入ELSZ-1000系列以後,偵測器全面改成APD,有效縮短取樣間隔時間,進而縮短量測時間。下面將簡述兩種偵測器的基本原理與差異。

 

PMT與APD比較

  • PMT(Photomultipliers)

    PMT又稱光電子倍增管,將光子訊號在真空管內藉由光子彈性碰撞放大,將放大的電子訊號在陰極做接收放出在陽極作訊號放大。
    因為是二次放大的訊號,在偏紫外光藍光波段有較好的靈敏度。
    另外因為是多次放大的關係,雜訊比也會比較高。
    量子轉換效率隨波長不同,大多有10~100左右。
     
  • APD (Avalanche photodiodes)

    APD(Avalanche photodiodes)稱為雪崩式二極體或累崩光電二極體,一般使用矽或鍺等等半導體材料(隨想偵測的光種類變更)作為光電二極管的P-N結加上反向電壓,射入的光會在P-N結吸收累積後產生光電流。累積能量後利用電離碰撞(雪崩擊穿)後,在APD裡進行訊號放大。特別適用於單一光子的檢測,比傳統PMT有更加的量子轉換效率(一般而言都有10的2次方以上)。不同的參雜技術,允許更高的電壓(>1500V)不至擊穿下,甚至能得到更大的放大倍率(>1000)。
以較為簡單的方法方述,PMT是以收到單顆光子後將其放大 ; APD則是將光子檔在一個閘門外,等累積到一定程度後再一次開閘。

粒徑分析儀偵測器的選擇

APD相較於PMT,因為原理不同,APD的量子轉換效率較高,尤其是在紅光區域。
量子轉換效率APD約100~1000倍以上,PMT約10~100倍。 且APD接收面積較小,
較不容易收到雜訊光源有更好的信噪比。
跟前一篇光源比較類似,氣態雷射與PMT都是屬於較早期的技術。 隨著半導體工藝演進,分別逐漸被半導體雷射及APD所取代。
不論是半導體雷射或APD都具備體積小,硬體能力較佳等特點,特別因為技術逐漸純熟的關係,製造成本也逐漸下降而被廣泛使用在各種光學儀器中。
 

最後那我該怎麼選雷射粒徑分析儀?

其實每一間廠商都有固定的雷射光及偵測器種類,考量成本與技術等問題,部分廠商的硬體仍然沒有做出更新。
大塚的粒徑分析儀採用最新型的窄帶半導體雷射+高感度APD的最佳組合,歡迎聯繫我們
 

界達電位粒徑分析儀ELSZneo

大塚電子從1970年起,發家的第一個商用化產品就是動態光散射(光子相關器),在後來也推出複合界達電位(zeta potential)的奈米粒徑分析儀,率先將背向光散射商用化量測不透光的粒徑分析方法,以及提供固體樣品的表面電位量測等等。於半個世紀後,我們集結了所有技術推出最新型界達電位粒徑分析儀ELSZneo。以neo期許新生之意,希望能帶給客戶更多的感動。
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多檢體奈米粒徑分析儀

另外,主打量測方便的多檢體奈米粒徑分析儀nanoSAQLA也是我們的主力產品之一。
不使用分注型的自動進樣確保您寶貴的樣品不會交叉汙染,而影響量測數值。
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想更加深入了解各種硬體對粒徑量測究竟有何影響,歡迎聯繫我們。

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