動態(tài)光散射(DLS)-粒徑測量|武漢鑠思百檢測

動態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering ,DLS)，也稱光子相關(guān)光譜Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ，準彈性光散射quasi-elastic scattering，測量光強的波動隨時間的變化。

DLS技術(shù)測量粒子粒徑，具有準確、快速、可重復性好等優(yōu)點，已經(jīng)成為納米科技中比較常規(guī)的一種表征方法。隨著儀器的更新和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的動態(tài)光散射儀器不僅具備測量粒徑的功能，還具有測量Zeta電位、大分子的分子量等的能力。

一、動態(tài)光散射基本原理

1. 粒子的布朗運動（Brownian motion）導致光強的波動，微小粒子懸浮在液體中會無規(guī)則地運動。布朗運動的速度依賴于粒子的大小和媒體粘度，粒子越小，媒體粘度越小，布朗運動越快。

2. 光信號與粒徑的關(guān)系

（1）光通過膠體時，粒子會將光散射，在一定角度下可以檢測到光信號，所檢測到的信號是多個散射光子疊加后的結(jié)果，具有統(tǒng)計意義。

（2）瞬間光強不是固定值，在某一平均值下波動，但波動振幅與粒子粒徑有關(guān)。

（3）某一時間的光強與另一時間的光強相比，在極短時間內(nèi)，可以認識是相同的，我們可以認為相關(guān)度為1,在稍長時間后，光強相似度下降，時間無窮長時，光強完全與之前的不同，認為相關(guān)度為0。

4）根據(jù)光學理論可得出光強相關(guān)議程。

（5）之前提到，正在做布朗運動的粒子速度，與粒徑（粒子大?。┫嚓P(guān)（Stokes - Einstein方程）。大顆粒運動緩慢，小粒子運動快速。如果測量大顆粒，那么由于它們運動緩慢，散射光斑的強度也將緩慢波動。類似地，如果測量小粒子，那么由于它們運動快速，散射光斑的密度也將快速波動。

（6）最后通過光強波動變化和光強相關(guān)函數(shù)計算出粒徑及其分布。

3. 分布系數(shù)(particle dispersion index,PDI)

分布系數(shù)體現(xiàn)了粒子粒徑均一程度，是粒徑表征的一個重要指標。
分布系數(shù)< 0.05：單分散體系，如一些乳液的標樣。
分布系數(shù)< 0.08 ：近單分散體系，但動態(tài)光散射只能用一個單指數(shù)衰減的方法來分析，不能提供更高的分辨率。
分布系數(shù)0.08 - 0.7 ：適中分散度的體系。運算法則的最佳適用范圍。
分布系數(shù)> 0.7：尺寸分布非常寬的體系，很可能不適合光散射的方法分析。

4. 光強分布、體積分布和數(shù)量分布的關(guān)系

說明光強、體積和數(shù)量分布之間差異的簡單方式，是考慮只含兩種粒徑（5nm和10nm）、但每種粒子數(shù)量相等的樣品。

上圖一顯示了數(shù)量分布結(jié)果。可以預期有兩個同樣粒徑（1:1）的峰，因為有相等數(shù)量的粒子。

上圖二顯示體積分布的結(jié)果。50nm粒子的峰區(qū)比5nm（1:1000比值）的峰區(qū)大1000倍。這是因為，50nm粒子的體積比5nm粒子的體積（球體的體積等于4/3π（r）3）大1000倍。

上圖三顯示光強度分布的結(jié)果。50nm粒子的峰區(qū)比5nm（1:1000比值）的峰區(qū)大1,000,000倍（比值1:1000000）。這是因為大顆粒比小粒子散射更多的光（粒子散射光強與其直徑的6次方成正比 — （得自瑞利近似）。

二、動態(tài)光散射要求

（1）基本要求

樣品應該較好的分散在液體媒體中，理想條件下，分散劑應具備以下條件：

?透明
?分散劑和溶質(zhì)粒子有不同的折光指數(shù)
?應和溶質(zhì)粒子相匹配 （也就是：不會導致溶脹, 解析或者締合）
?掌握準確的折光指數(shù)和粘度，誤差小于0.5%
?干凈且可以被過濾

（2）粒徑下限

粒徑下限主要依賴于：?粒徑下限粒子相對于溶劑產(chǎn)生的剩余光散射強度
?溶質(zhì)和溶劑折光指數(shù)差
?樣品濃度
?儀器敏感度
?激光強度和波長
?檢測器敏感度 - 雪崩式光電二極管
?儀器的光學構(gòu)造

（3）粒徑上限

?動態(tài)光散射測量粒子無規(guī)則的熱運動/ 布朗運動
?若粒子不進行無規(guī)則運動，動態(tài)光散射無法提供準確粒徑信息
?粒子尺寸的上限定義于沉淀行為的開始
? 因此上限取決于樣品 – 應考慮粒子和分散劑的密度

（4）樣品濃度上限

?對于高濃度樣品，由動態(tài)光散射測得的表觀尺寸可能會受到不同因素的影響
?多重光散射 – 檢測到的散射光經(jīng)過多個粒子散射
?擴散受限 – 其他粒子的存在使得自由擴散受到限制
?聚集效應 – 依賴于濃度的聚集效應
?應電力作用 – 帶電粒子的雙電層相互重疊，因而粒子間有不可忽視的相互作用。這種相互作用將影響平移擴散