动态光散射

动态光散射

动态光散射 Dyn amic Light Scatteri ng （DLS）,也称光子相关光谱 Photo n Correlation Spectroscopy （PCS），准弹性光散射quasi-elastic scatteri ng ，测量光强的波动随时间的变化。DLS技术测量粒子粒径，具有准确、快速、可重复性好等优

点，已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。随着仪器的更新和数据处理技术的发展，现在的动态光散射仪器不仅具备测量粒径的功能，还具有测量Zeta电位、

大分子的分子量等的能力。

（一）动态光散射的基本原理

1. 粒子的布朗运动Brownian motion导致光强的波动微小粒子悬浮在液体中会

无规则地运动布朗运动的速度依赖于粒子的大小和媒体粘度，粒子越小，媒体

粘度越小，布朗运动越快。

2. 光信号与粒径的关系光通过胶体时，粒子会将光散射，在一定角度下可以检

测到光信号，所检测到的信号是多个散射光子叠加后的结果，具有统计意义（见附件

一）。瞬间光强不是固定值，在某一平均值下波动，但波动振幅与粒子粒径有关（见附件二）。某一时间的光强与另一时间的光强相比，在极短时间内，可以认识是相同的，我们可以认为相关度为1,在稍长时间后，光强相似度下降，时间无穷长时，光强

完全与之前的不同，认为相关度为0 （此原理见附件三）。根据光学理论可得出光强相

关议程（见附件四）。之前提到，正在做布朗运动的粒子速度，与粒径（粒子大小）相关（Stokes - Einstein

方程）。大颗粒运动缓慢，小粒子运动快速。如果测量大颗

粒，那么由于它们运动缓慢，散射光斑的强度也将缓慢波动。类似地，如果测量小粒子，那么由于它们运动快速，散射光斑的密度也将快速波动。附件五显示了大颗粒和小粒子的相关关系函数。可以看到，相关关系函数衰减的速度与粒径相关，小粒子

的衰减速度大大快于大颗粒的。最后通过光强波动变化和光强相关函数计算出粒径及

其分布（见附件六）。

3. 分布系数（particle dispersion index,PDI）分布系数体现了粒子粒径均一程度，

是粒径表征的一个重要指标。

< 0.05 单分散体系，如一些乳液的标样。

< 0.08 近单分散体系，但动态光散射只能用一个单指数衰减的方法来分析，

不能提供更高的分辨率。

0.08 - 0.7 适中分散度的体系。运算法则的最佳适用范围。

>0.7 尺寸分布非常宽的体系，很可能不适合光散射的方法分析。

4. 光强分布、体积分布和数量分布的关系

说明光强、体积和数量分布之间差异的简单方式，是考虑只含两种粒径（5nm和10nm ）、但每种粒子数量相等的样品。附件七显示了数量分布结果。可以预期有两

50nm 粒子的

3）

大1000倍。第三个图显示光强 比值）的峰区大 1,000,000倍（比 （粒子散射光强与其直径的

个同样粒径（1:1）的峰，因为有相等数量的粒子。第二个图显示体积分布的结果。

50nm 粒子的峰区比 5nm （ 1:1000比值）的峰区大 1000倍。 这是因为, 体积比5nm 粒子的体积（球体的体积等于 4/3 n （r ）

度分布的结果。

50nm 粒子的峰区比 5nm （1:1000

值1:1000000 ）。 这是因为大颗粒比小粒子散射更多的光 6次方成正比 一（得自瑞利近似）。 （二）动态光散射样品要求

基本要求

样品应该较好的分散在液体媒体中

理想条件下，分散剂应具备以下条件

透明 和溶质粒子有不同的折光指数 不会导致溶胀，解析或者缔合） 掌握准确的折光指数和粘度，误差小于 干净且可以被过滤 应和溶质粒子相匹配 （也就是:

0.5% 粒径下限 和溶剂折光指数差 依赖于： 样品浓度 粒子相对于溶剂产生的剩余光散射强度

激光强度和波长 仪器敏感度 溶质 检测

仪器的光学构造 器敏感度-雪崩式光电二极管 粒径上限 动态光散射测量粒子无规则的热运动 /布朗运动 若粒子不进

行无规则运动，动态光散射无法提供准确粒径信息 行为的开始 因此上限取决于样品 -应考虑粒子和分散剂的密度 粒子尺寸的上限定义于沉淀 样品浓度 上限 对于高浓度样品，由动态光散射测得的表观尺寸可能会受到不同因素的影 多重光散射 -检测到的散射光经过多个粒子散射 扩散受限 -其他粒 子的存在使得自由扩散受到限制 力作用 -带电粒子的双电层相互重叠，因而粒子间有不可忽视的相互作用。这种相互 作用将影响平移扩散

聚集效应-依赖于浓度的聚集效应 应电