レーザー回折分析

レーザー回折分析法は、レーザー回折分光法とも呼ばれ、ナノメートルからミリメートルの大きさの物体を通過したレーザー光線の回折パターンを利用して粒子の幾何学的寸法を迅速に測定する技術です^{[1] 。この}粒子サイズ分析プロセスは、時間の経過とともに表面を通過する粒子の量である体積流量に依存しません。^[2]

レーザー回折分析はもともと、粒子によって散乱される光の強度が粒子サイズに正比例するというフラウンホーファー回折理論に基づいています。 ^[4]レーザービームの角度と粒子サイズは反比例関係にあり、粒子サイズが小さくなるとレーザービームの角度が大きくなり、逆もまた同様です。^[5]ミー散乱モデル、またはミー理論は、1990年代からフラウンホーファー理論の代替として使用されています。

市販のレーザー回折分析装置では、データ分析にフラウンホーファー理論とミー理論のどちらを使用するかはユーザーに選択が委ねられているため、両モデルの長所と限界を理解することが重要です。フラウンホーファー理論は、粒子の輪郭で発生する回折現象のみを考慮します。その主な利点は、粒子の材料の光学特性（複素屈折率）に関する知識を必要としないことです。したがって、通常は光学特性が不明なサンプルや、異なる材料の混合物に適用されます。光学特性が既知のサンプルの場合、フラウンホーファー理論は、光源の波長の少なくとも10倍の大きさの直径が予想される粒子、および/または不透明な粒子にのみ適用する必要があります。^{[6] [7]}

ミー理論は、球状粒子による電磁波の散乱を測定することに基づいています。したがって、粒子の輪郭での回折だけでなく、粒子内および表面での屈折、反射、吸収現象も考慮に入れています。^[6]したがって、この理論は、光源の波長よりも大幅に大きくない粒子や透明な粒子に対しては、フラウンホーファー理論よりも適しています。このモデルの主な制限は、粒子の材料の複素屈折率（吸収係数を含む）に関する正確な知識が必要なことです。ミー理論を使用したレーザー回折の理論上の検出下限は、一般に約 10 nm であると考えられています。

レーザー回折分析は、通常、赤色He-Ne レーザーまたはレーザーダイオード、高電圧電源、および構造パッケージングによって行われます。^[8]代わりに、波長の短い青色レーザーダイオードまたは LED を使用することもできます。光源は検出限界に影響し、波長の短いレーザーはサブミクロン粒子の検出に適しています。レーザーによって生成された光エネルギーの角度は、光線を分散粒子の流れに通してセンサーに当てることで検出されます。分析対象物と検出器の焦点の間にレンズを配置すると、周囲のレーザー回折のみが現れます。レーザーが分析できるサイズは、レンズの焦点距離、つまりレンズから焦点までの距離によって異なります。焦点距離が長くなると、レーザーが検出できる領域も増加し、比例関係を示します。

回折光を収集するために、レーザービームに対して一定の角度で配置された複数の光検出器が使用されます。検出器要素の数が増えると、感度とサイズの制限が拡張されます。コンピューターは、粒子の周波数と波長に関する収集データから導き出した光エネルギーとその配置から、物体の粒子サイズを検出できます。^[5]

実用的には、レーザー回折装置はキャリア溶媒を使用して液体懸濁液中の粒子を測定することも、圧縮空気または単純に重力を使用して粒子を移動させる乾燥粉末として測定することもできます。スプレーやエアロゾルは通常、特別なセットアップが必要です。^[9]

検出器アレイによって記録される光エネルギーは粒子の体積に比例するため、レーザー回折の結果は本質的に体積重み付けされます。^[10]つまり、粒子サイズ分布は、異なるサイズクラスの粒子材料の体積を表します。これは、異なるサイズクラスの粒子の数を報告する顕微鏡検査や動的画像分析などの計数ベースの光学的方法とは対照的です。^{[11]回折光が粒子の体積に比例するということは、結果が粒子の球形性を前提としていること、つまり粒子サイズの結果は}等価球径であることを意味します。したがって、この技術では粒子の形状を決定することはできません。

レーザー回折結果の主なグラフ表現は、体積加重粒子サイズ分布であり、密度分布（さまざまなモードを強調表示）または累積アンダーサイズ分布として表されます。

最も広く使用されている数値レーザー回折結果は次のとおりです。

• 平均体積加重直径、またはD ₅₀。累積曲線から導出され、データの上位 50 % と下位 50 % を分ける粒子の直径を表します。
• D ₁₀値と D ₉₀値も累積曲線から導き出されます。
• 平均体積加重直径。D[4,3]またはDe Brouckere平均直径とも呼ばれる。
• スパンは粒子サイズ分布の幅の尺度となり、スパン＝[D ₉₀ – D ₁₀ ]/D ₅₀として計算されます。^[12]

レーザー回折測定の精度と精密度に関する統一規格は、ISO 13320:2020規格[13]と米国薬局方USP <429>章[14]の両方で定義さ^れています^。

レーザー回折分析は、次のような状況で粒子サイズの物体を測定するために使用されてきました。

• シルトと粘土の大きなサンプルの大きさに重点を置き、土壌の質と粘土や泥などの堆積物 の分布を観察する。 ^[15]
• 河口域の粒子の現場 測定。河口域の粒子は、自然または汚染化学物質が容易に移動するのを可能にするため重要です。河口域の粒子のサイズ、密度、安定性は、粒子の移動にとって重要です。ここでは、レーザー回折分析を使用して粒子サイズ分布を比較し、この主張を裏付けるとともに、さまざまな粒子によって発生する河口域の変化のサイクルを見つけます。^[16]
•  土壌の安定性と湿潤時の安定性。セラードサバンナ地域の土壌の2つの異なる状態である土壌凝集（湿った粘土によって固まった塊） ^[17]と粘土分散（湿った土壌で分離する粘土）^{[18]の安定性をレーザー回折分析で比較し、耕起がこれら2つに影響を与えるかどうかを判断しました。測定は}耕起前と耕起後の異なる時間間隔で行われました。粘土分散は耕起の影響を受けないことがわかりましたが、土壌凝集は影響を受けました。^[19]
•  せん断下における赤血球の変形能。^[20]タンクトレッドと呼ばれる特殊な現象により、^[20]赤血球（赤血球、RBC）の膜はせん断力と細胞の細胞質に対して回転し、RBCが自ら配向します。配向および伸張された赤血球は、各方向の見かけの粒子サイズを表す回折パターンを持ち、赤血球の変形能と細胞の配向能を測定することができます。赤血球計^{[21]では、}浸透圧ストレスまたは酸素分圧が変化する条件下で赤血球の変形能を測定することができ、先天性溶血性貧血の診断と経過観察に使用されます。^[22]

レーザー回折分析は粒子を測定する唯一の方法ではないため、粒度分析の伝統的な技術であるふるいピペット法と比較されてきました。比較した結果、レーザー回折分析は、1回の分析後に簡単に再現できる高速計算を行い、大きなサンプルサイズを必要とせず、大量のデータを生成することがわかりました。データはデジタル面上にあるため、結果は簡単に操作できます。ふるいピペット法とレーザー回折分析はどちらも非常に小さな物体を分析できますが、レーザー回折分析は、粒子測定の対応する方法よりも精度が優れていました。^[23]

レーザー回折分析は、以下の分野でその妥当性が疑問視されている。^{[24] [25]}

• 粒子がランダムな構成と体積値を持つことを含む仮定。いくつかの分散ユニットでは、粒子は乱流 になるのではなく、互いに整列して、秩序立った方向に進むことが示されています。
• レーザー回折分析で使用されるアルゴリズムは、十分に検証されていません。不正確に見えるデータを回避するために、収集されたデータがユーザーの想定と一致するように、異なるアルゴリズムが使用されることがあります。
• 物体の鋭いエッジによる測定の不正確さ。レーザー回折分析では、レーザーが鋭いエッジに対して大きな角度を形成するため、鋭いエッジで仮想粒子を検出する可能性があります。
• 別の粒子サイズ測定技術である光学イメージングのデータ収集と比較すると、非球形粒子の場合、両者の相関は乏しかった。これは、基礎となるフラウンホーファー理論とミー理論が球形粒子のみを対象としているためである。非球形粒子はより拡散した散乱パターンを引き起こし、解釈がより困難である。一部のメーカーは、非球形粒子を部分的に補正できるアルゴリズムをソフトウェアに組み込んでいる。

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