در سال‌های اخیر، میکروحباب‌ها و نانوحباب‌ها مورد توجه قرار گرفته‌اند و کاربردهایی نظیر موارد زیر دارند: ۱. حوزه کشاورزی و شیلات، ۲. تصفیه و پاک‌سازی، ۳. داروسازی و استریل‌سازی. به‌ویژه در حوزه داروسازی، استفاده از میکروحباب‌ها و نانوحباب‌ها در سیستم‌های دارورسانی و به عنوان عوامل کنتراست در تصویربرداری اولتراسوند (فراصوت) رو به افزایش بوده است. علاوه بر این، در حالی که سوابق متعددی در زمینه تصفیه وجود دارد، کاربرد آنها در پاک‌سازی (به‌ویژه پاک‌سازی تجهیزات الکترونیکی) همچنان در حال توسعه است.
یکی از عوامل مهم تعیین‌کننده در میزان کارایی پاک‌سازی و سایر ویژگی‌های این حباب‌ها، توزیع اندازه ذرات آن‌هاست. اگرچه روش‌های متنوعی برای اندازه‌گیری توزیع اندازه ذرات به کار گرفته می‌شود، اما آنالایزرهای مبتنی بر روش پراش/پراکندگی لیزری مزایای متعددی دارند. از جمله این مزایا می‌توان به زمان اندازه‌گیری کوتاه (چند ثانیه تا چند ده ثانیه)، دامنه اندازه‌گیری وسیع (چند ده نانومتر تا چند میلی‌متر) و تکرارپذیری مطلوب و کاربری آسان اشاره کرد. در نتیجه، در طول دهه ۱۹۹۰، این نوع آنالایزرهای اندازه ذرات به استانداردی رایج تبدیل شدند. در ابتدا، تمرکز بر اندازه‌گیری‌های «تر (wet) بود که در آن ذرات در یک مایع معلق هستند؛ اما امروزه اندازه‌گیری‌های «خشک (dry) نیز انجام می‌شود که در آنها ذرات در فاز گازی قرار دارند. اخیراً امکان اندازه‌گیری میکروحباب‌ها و نانوحباب‌ها نیز فراهم شده است که گامی مهم به سوی روشی تحول‌آفرین محسوب می‌شود؛ روشی که به دلیل گستردگی حوزه‌های کاربردی، کاملاً از آنالایزرهای متداول اندازه ذرات متمایز است. از نظر اصول پایه، اندازه‌گیری میکروحباب‌ها و نانوحباب‌ها از روشی ساده بهره می‌برد که در آن ذرات در معرض پرتو لیزر قرار می‌گیرند و اندازه ذرات بر اساس نور پراکنده شده (ناشی از برخورد پرتو) و با استفاده از وابستگی اندازه ذره به الگوی توزیع فضایی شدت نور، تعیین می‌شود.
انتظار می‌رود این روش در آینده در حوزه‌های گوناگونی به کار گرفته شود. همچنین، اگرچه به‌طور معمول از لیزر قرمز به عنوان منبع نور استفاده می‌شود، اما اکنون آنالایزرهایی وجود دارند که از منابع نوری با طول موج کوتاه (آبی) یا حتی لیزرهای فرابنفش (با طول موج کوتاه‌تر) استفاده می‌کنند تا امکان اندازه‌گیری ذرات بسیار ریزتر فراهم شده و دامنه اندازه‌گیری گسترش یابد.
شکل 1: رابطه میان اندازه ذرات و شدت نور الگوی توزیع نور. با کوچکتر شدن سایز حباب‌ها، پراکنش نور بیشتر می‌شود و به این وسیله سایز حباب‌ها مشخص خواهد شد.
اصول اندازه‌گیری
هنگامی که ذرات در معرض نور لیزر قرار می‌گیرند، نور پراکنده از آنها ساطع می‌شود. الگوی توزیع فضایی شدت نور پراکنده (یعنی تغییرات شدت نور پراکنده بر حسب زاویه پراکندگی) متناسب با اندازه ذرات تغییر می‌کند؛ همان‌طور که در شکل (1) نشان داده شده است. برای مثال، نور پراکنده حاصل از ذرات ۵ میکرومتری در جهت رو به جلو متمرکز است. با کاهش اندازه ذرات، زاویه نور پراکنده افزایش می‌یابد و هنگامی که اندازه ذرات به ۰.۳ میکرومتر یا کمتر می‌رسد، شدت نور پراکنده به سمت طرفین و عقب نیز بیشتر می‌شود.
علاوه بر این، زمانی که اندازه ذرات به ۰.۱ میکرومتر کاهش می‌یابد، شدت نور پراکنده در جهت‌های عقب و جلو تقریباً یکسان می‌شود. بدین ترتیب، از آنجا که الگوی توزیع شدت نور پراکنده متناسب با اندازه ذرات تغییر می‌کند، می‌توان بر حسب این فرایند، اندازه ذرات را بر اساس الگوی توزیع شدت نور تعیین کرد.
شکل 2: پیکربندی معمول سیستم اندازه‌گیری سایز نانوحباب با استفاده از نور لیزر
پیکربندی سیستم
هنگامی که گروهی از ذرات در معرض پرتو لیزر قرار می‌گیرند، نور پراکنده‌شده از این مجموعه، حاصل برآیند (سوپرپوزیشن) نورهای پراکنده‌شده توسط تک‌تک ذرات است. پیکربندی معمول یک سیستم در شکل ۲ نشان داده شده است. این سیستم اساساً از یک سامانه نوری، یک محفظه پراکنش و یک پردازشگر تشکیل شده است. پرتو لیزرِ تولیدشده توسط منبع نور، با استفاده از یک عدسی موازی‌ساز (کالیماتور) به پرتویی کمی پهن‌تر تبدیل شده و سپس به گروه ذرات موجود در سلولی با طول مسیر نوریِ چند میلی‌متر تابانده می‌شود. سوسپانسیون (سیال) موجود در محفظه پراکنش، توسط یک پمپ به گردش درمی‌آید. نوری که در جهت رو به جلو پراکنده شده است، توسط عدسی متمرکز شده و به صورت تصویری حلقوی (ناشی از پراش/پراکندگی) روی صفحه حسگر در فاصله کانونی تشکیل می‌شود. این تصویر توسط حسگرهای حلقوی که عناصر آشکارساز آنها به صورت دایره‌های هم‌مرکز چیده شده‌اند، آشکارسازی می‌شود. نوری که به طرفین و به سمت عقب پراکنده شده است، به ترتیب توسط حسگر نور پراکنده جانبی و حسگرهای نور پراکنده معکوس (بک‌اسکتر) آشکارسازی می‌شود. بدین ترتیب، با آشکارسازی الگوی توزیع شدت نور توسط انواع مختلف عناصر آشکارساز، داده‌های مربوط به توزیع شدت نور به دست می‌آید.
محاسبه توزیع اندازه ذرات
پدیده پراش/پراکندگی ناشی از مجموعه‌ای از ذرات را می‌توان با معادله (برداری و ماتریسی) زیر نمایش داد:
s = Aq
که در آن:
s = [s₁, s₂, …, sₘ]ᵀ
A = [aᵢⱼ]ₘ×ₙ
در اینجا، «s» داده‌های مربوط به توزیع شدت نور (بردار) است. عناصر «Si» (که در آن i = 1, 2, …, m است) نشان‌دهنده شدت نور (مقدار نور تابشی) هستند که توسط عناصر آشکارساز مختلف در حسگر نور پراکنده رو به جلو (forward scattered)، حسگر نور پراکنده جانبی و حسگرهای نور پراکنده رو به عقب (backscattered) ثبت می‌شوند. «q» بردار توزیع ذرات (درصد توزیع فراوانی) است. محدوده اندازه ذرات مورد نظر برای اندازه‌گیری (حداکثر اندازه ذره: X1، حداقل اندازه ذره: Xn+1) به «n» بخش تقسیم می‌شود و بازه‌های مربوط به اندازه ذرات به صورت [Xi, Xi+1] (که در آن j = 1, 2, … n است) در می‌آیند. عناصر «qj» (که در آن j = 1, 2, … n است) مقادیر مربوط به ذرات در بازه‌های [xi, xi+1] هستند. معمولاً از یک معیار حجمی استفاده می‌شود.
به عبارت دیگر، داده‌ها به گونه‌ای نرمال‌سازی می‌شوند که مجموع آنها برابر با ۱۰۰٪ شود.
«A» ماتریس ضرایب برای تبدیل توزیع ذرات «q» (بردار) به توزیع شدت نور «s» (بردار) است.
بدین ترتیب، برای یافتن پاسخ «کمترین مربعات» (least squares) برای بردار توزیع ذرات «q» بر اساس معادله (2.2)، معادله زیر به دست می‌آید:
q = (AᵀA)⁻¹ Aᵀs
برای تضمین پایداری حباب‌ها در سیستم سنجش، با افزودن مقدار کمی سورفکتانت یا اتانول ماندگاری آنها را افزایش می دهیم.
نمونه‌ای از اندازه‌گیری
شکل 3 توزیع اندازه حباب‌های حاصل از یک مولد حباب را نشان می‌دهد؛ این حباب‌ها یک‌بار با استفاده از آب خالص و بار دیگر با استفاده از آب خالصِ حاوی ۱٪ اتانول تولید شده‌اند. بدیهی است که با افزودن عامل پخش‌کننده، ریزحباب‌ها پایدار شده و حباب‌هایی با ابعاد کوچک تولید می‌شوند.
شکل 3: مقایسه اندازه حباب‌ها در آب خالص و آب خالص حاوی ۱٪ اتانول.
نتیجه تست نانوحباب دستگاه نانومیکس شرکت نانو صنعت آرمان در دانشگاه پلی تکنیک امیرکبیر تهران