يُعد تشتت الضوء الساكن (SLS) من أكثر الطرق تقدمًا ودقةً لدراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد على المستويين النانوي والمجهري. وقد اكتسبت هذه التقنية، القائمة على تفاعل ضوء الليزر مع الجسيمات العالقة في وسط سائل أو غازي، أهميةً بالغةً في البحث العلمي والصناعة في العقود الأخيرة. ومن خلال تحليل شدة ونمط الضوء المشتت، يمكن الحصول على معلومات قيّمة حول الوزن الجزيئي، وتوزيع حجم الجسيمات، ونصف قطر الدوران (Rg) ، والبنية الكلية للمادة.
في هذه المقالة سوف ندرس كيفية عمل SLS وكيف يختلف عن الطرق المماثلة وتطبيقاته والنقاط الرئيسية لاستخدام الطريقة.
مبدأ تشتت الضوء الساكن
عندما يسقط شعاع ليزر على محلول يحتوي على جسيمات أو جزيئات، يُمتص جزء من الضوء، وينتقل جزء آخر، ويتشتت جزء آخر بواسطة الجسيمات. في طريقة SLS، تُعدّ شدة الضوء المتشتت بزوايا مختلفة ذات أهمية أساسية.
وتعتمد قوة هذا التشتت على العوامل التالية:
-
متوسط الوزن الجزيئي للجسيم أو الجزيء.
-
تركيز العينة
-
معامل الانكسار للوسط والعينة
-
قياس الزاوية
المعادلة الأساسية المستخدمة في هذه الطريقة هي معادلة ديباي-شيرير، والتي تشرح العلاقة بين شدة التشتت والوزن الجزيئي ونصف قطر الدوران.
الفرق بين SLS و DLS
يخلط العديد من الأشخاص بين تقنية SLS والتشتت الضوئي الديناميكي (DLS) ، على الرغم من وجود اختلافات مهمة بين التقنيتين:
-
SLS (ثابت): يقيس شدة الضوء المنتشر في حالة ثابتة ويوفر معلومات حول الوزن الجزيئي المطلق ونصف قطر الدوران والبنية العامة للجزيء.
-
DLS (ديناميكي): يعتمد على التغير الزمني لشدة التشتت، ويستخدم بشكل أساسي لتحديد توزيع حجم الجسيمات والحركة البراونية.
باختصار، يوفر SLS معلومات “ثابتة وبنيوية”، بينما يوفر DLS معلومات “ديناميكية وحركية”.
المكونات الرئيسية لجهاز تشتيت الضوء الساكن
يتضمن نظام SLS عادةً المكونات التالية:
-
مصدر ضوء الليزر: ينتج ضوءًا أحادي اللون مستقرًا بطول موجي محدد.
-
الصينية: حاوية شفافة لوضع العينات.
-
الكاشف: يسجل شدة الضوء المنتشر عند زوايا مختلفة.
-
نظام التحكم في درجة الحرارة: يحافظ على الظروف البيئية مستقرة، حيث أن التغيرات في درجة الحرارة يمكن أن تؤثر على النتائج.
-
برنامج التحليل: يحسب الوزن الجزيئي ونصف قطر الدوران ويقوم بتحليل البيانات.
تطبيقات تشتت الضوء الساكن
1. البوليمرات والبوليمرات الحيوية
في صناعة البوليمرات، تُستخدم تقنية SLS لتحديد عدد ووزن متوسط الأوزان الجزيئية ، بالإضافة إلى دراسة بنية سلسلة البوليمر. في البوليمرات الحيوية مثل الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (RNA) والبروتينات، توفر هذه الطريقة معلومات مفصلة عن سلوك التجميع، بالإضافة إلى البنية الثلاثية والرباعية.
2. المواد النانوية والغرويات
SLS هي طريقة أساسية لدراسة الجسيمات النانوية المعدنية وشبه الموصلة والسيراميك ويمكن استخدامها للتحقيق في معدل التجمع واستقرار المحاليل الغروانية.
3. الأدوية والتكنولوجيا الحيوية
في مجال البحث والتطوير للمنتجات الصيدلانية الحيوية، مثل الأجسام المضادة واللقاحات والبروتينات المُعاد تركيبها، يلعب SLS دورًا هامًا في التحديد الدقيق للوزن الجزيئي ونقاء العينات. كما يُساعد في الكشف عن تحلل البروتينات أو التغيرات البنيوية .
4. صناعة الأغذية
يتم استخدام تشتت الضوء الساكن لدراسة استقرار المستحلبات والمعلقات والبروتينات الغذائية.
مزايا وعيوب SLS
فائدة
-
قياسات الوزن الجزيئي المطلق دون الحاجة إلى معايير مرجعية.
-
القدرة على تحديد نصف قطر الدوران (Rg) والبنية العامة للجزيء.
-
يدرس البوليمرات والجزيئات الكبيرة بدقة عالية.
-
يمكن دمجه مع طرق أخرى مثل DLS و SEC للحصول على نتائج أكثر شمولاً.
حد
-
يجب أن تكون العينة ذات درجة عالية من الشفافية؛ حيث أن وجود جزيئات الغبار أو الشوائب سيؤدي إلى تشويه النتائج.
-
حساسة للغاية للتغيرات في درجة الحرارة والتركيز.
-
بالنسبة للجسيمات الصغيرة جدًا (أقل من 10 نانومتر)، تنخفض الدقة.
نقاط رئيسية لاستخدام SLS
-
إعداد العينة: يعتبر الترشيح الدقيق ضروريًا لإزالة الجزيئات المتداخلة.
-
اختر الطول الموجي المناسب: يجب أن يكون مناسبًا لحجم وخصائص الجسيمات البصرية.
-
معايرة المعدات: المعايرة المنتظمة ضرورية للحصول على نتائج دقيقة.
-
التحكم في درجة الحرارة: خاصة بالنسبة للعينات البيولوجية الحساسة لتغيرات درجة الحرارة.
-
التحليل المشترك: من الأفضل مراجعة نتائج SLS بالاشتراك مع بيانات DLS أو HPLC.
مقارنة SLS مع التقنيات التحليلية الأخرى
-
SEC-MALS (الكروماتوغرافيا + SLS): مزيج من الكروماتوغرافيا مع تشتت الضوء متعدد الزوايا للفصل المتزامن وقياس الوزن الجزيئي.
-
مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية: توفر معلومات حول امتصاص الضوء فقط، وليس حول الوزن الجزيئي .
-
مطيافية الكتلة: تتمتع بدقة أكبر ولكن لا يمكن تطبيقها بسهولة على الجزيئات الكبيرة جدًا.
تُظهر هذه المقارنة المكانة الخاصة لـ SLS في دراسة البوليمرات والبروتينات الكبيرة.
المستقبل والاتجاهات الجديدة لـ SLS
مع تقدم تكنولوجيا النانو وعلوم الحياة، تطورت تقنية SLS وتحسنت أيضًا. ومن بين الاتجاهات الناشئة:
-
استخدم الليزر متعدد الأطوال الموجية لتحسين دقة القياس.
-
تم تصميم كاشف متعدد الزوايا (MALS) للحصول على معلومات ثلاثية الأبعاد.
-
دمج SLS مع المجهر المتقدم لتحليل البنية والتشتت في وقت واحد.
بولي أكريلاميد (PAM) لتثبيت التربة مؤقتًا
ختاماً
تشتت الضوء الساكن (SLS) هو أسلوب حاسم وفعال لدراسة الخصائص البنيوية والوزنية والتجمعية للجزيئات والجسيمات. تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في مجالات متنوعة، بدءًا من البوليمرات والمواد النانوية وصولًا إلى صناعات الأدوية والأغذية. ورغم أنها تتطلب تحضيرًا دقيقًا للعينات وظروفًا مُحكمة، إلا أن المعلومات التي تُقدمها لا تُقدر بثمن وفريدة من نوعها.
ونظراً للتطور السريع في تكنولوجيا النانو والتكنولوجيا الحيوية، فمن المتوقع أن تحتل SLS مكانة متزايدة الأهمية في البحث العلمي والتطبيقات الصناعية في السنوات القادمة.