动态光散射

动态光散射

基本原理及其在纳米科技中的应用——粒径测量动态光散射Dynamic Light Scattering（DLS，）也称光子相关光谱PhotonCorrelation Spectroscopy （PCS，）准弹性光散射quasi-elastic scattering,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-E in stei n 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，50nm粒子的体积比5nm粒子的体积（球体的体积等于4/3 n

（r）3）大1000 倍。

第三个图显示光强度分布的结果。

50nm粒子的峰区比5nm （1:

1000比值）的峰区大1,000,000倍（比值1:

1000）。

这是因为大颗粒比小粒子散射更多的光（粒子散射光强与其直径的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应和溶质粒子相匹配（也就是：

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

0.5%干净且可以被过滤粒径下限依赖于：

粒子相对于溶剂产生的剩余光散射强度溶质和溶剂折光指数差样品浓度仪器敏感度激光强度和波长检测器敏感度-雪崩式光电二极管仪器的光学构造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粒子尺寸的上限定义于沉淀行为

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响多重光散射检测到的散射光经过多个粒子散射扩散受限淇他粒子的存在使得自由扩散

受到限制聚集效应-依赖于浓度的聚集效应应电力作用-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