Odpověď na téma: 42. CP SOČ online – obor 02 fyzika

[Martin Čmel]

Dobrý den, vážená poroto, děkuji za dotazy.

Můžete specifikovat, jaké jsou nejistoty vašeho měření?
Měřil jste rozptyl pod úhlem 90°. Může změna úhlu změnit výsledky vašich měření?

Měření metodou DLS může být znepřesněno například okolním světlem v laboratoři, které lavinová fotodioda detekuje. Toto světlo není žádané rozptýlené světlo ze vzorku, takže měření pouze zkresluje. Z toho důvodu byla celá aparatura překryta černým papírem a plachtou. V práci ukazuji výsledky u prázdné aparatury (tzv. dark counts), čímž jsem vlastně detekoval pouze okolní světlo. Tím jsem zjišťoval, jak moc dokáže krytí aparatury zamezit přístupu světla z laboratoře. Výsledky se pohybovali pouze okolo 6 kHz, což oproti měření skutečného rozptylu (100-200 kHz) je poměrně zanedbatelná hodnota. Přesto však okolní světlo může měření hlavně u málo koncentrovaných vzorků zkreslit.
U málo koncentrovaných vzorků, které rozptylují menší množství světla je problém také s nedostatkem akumulovaných dat, respektive s nedostatečným množstvím detekovaných fotonů. Tento fakt vytváří na konci autokorelační funkce artefakt v podobě zpomalení jejího poklesu. Teoretická fitovaná funkce a výsledné velikosti pak také vycházejí méně přesně. U vyšších koncentrací je frekvence dopadu fotonů dostatečná a s množstvím akumulovaných dat nebývá problém.
Na autokorelační funkci vznikal nereálný artefakt v podobě nereálně příliš vysoké hodnoty také na jejím počátku. Tento jev vzniká v důsledku termodynamických dějů v APD, kdy se náhodně spouští lavinové reakce a fotodioda měří hodnoty i když k žádnému rozptylu nedochází. Proto jsme další data z počátku autokorelační funkce nevyhodnocovali.
Výsledný hydrodynamický poloměr vypovídá o poloměru koule se stejným difúzním koeficientem jako má měřená částice, takže pokud má skutečná částice ve vzorku nějaký extrémní tvar (příliš převládající rozměr v jednom směru), tak vyhodnocená velikost příliš neodpovídá. V praxi, pokud nejsou potřeby přesnosti příliš vysoké, se však tato vyhodnocená velikost přibližně rovná skutečné velikosti. Někdy se pro určení tvaru částic využívají i další metody, které pak zpřesní měření.
Nejistoty jsou také u vzorků, ve kterých je více částic různých velikostí a my neznáme jejich poměr či počet. Zde se používají různé metody na určení reálného počtu částic v roztoku, např. metoda CONTIN.
U více koncentrovaných vzorků může dojít také k mnohonásobnému rozptylu světla ve vzorku, což se stalo nejspíš i při mém měření. Výsledná velikost částic pak vychází menší než ve skutečnosti, což by odpovídalo právě i mým výsledkům. Tento jev ovlivňuje detekční úhel. Mnohonásobný rozptyl se eliminuje na úhlech blížících se k 180 stupňům, např. kolem 173. Na tomto úhlu pracoval i komerčně používaný přístroj, u kterého k mnohonásobnému rozptylu příliš nedocházelo.

Co se týče konkrétního úhlu, pod kterým se rozptyl měří, jeho změna výsledky měření ovlivňuje. Při našem vertikálně lineárně polarizovaném světle se rozptyl s nejvyšší intenzitou z dipólu šíří v horizontální rovině, proto jsme v detekovali právě v ní. Při DLS se měří zpravidla ve třech úhlech: buď pod nízkým úhlem zepředu (kolem 5-6 stupňů), to však většinou jen u specifických měření, potom na 90, což je nejjednodušší nastavení, ale bohužel při něm dochází k mnohonásobnému rozptylu a pak se detekuje tzv. zadní rozptyl na úhlu kolem 173-178 stupňů, kde se dobře eliminuje mnohonásobný rozptyl, toto nastavení plánujeme také vyzkoušet. My jsme zvolili 90 stupňů hlavně kvůli spektroskopické kyvetě, která má tvar kvádru (tedy stěny na sebe kolmé) tak, aby příchozí i rozptýlené světlo procházelo stěnami kolmo. Při tomto úhlu jsme také došel k poměrně přesným výsledkům. U jiných úhlů se většinou kyveta umisťuje do nádob kulového tvaru, která obsahuje tekutinu se stejným indexem lomu jako má rozpouštědlo ve vzorku.