動態(tài)光散射儀測定乳粒粒徑

動態(tài)光散射技術(shù)(DynamicLightScattering,DLS)

------測量粒徑及其分布材料學(xué)院80082021/6/271測試原理運(yùn)算法則樣品要求樣品制備數(shù)據(jù)分析主要內(nèi)容2021/6/272什么是動態(tài)光散射？動態(tài)光散射(DLS)，也稱光子相關(guān)光譜(PhotonCorrelationSpectroscopy,PCS),是指由于散射質(zhì)點(diǎn)不停地做布朗運(yùn)動而引起的多普勒效應(yīng)導(dǎo)致了散射光波長以入射光波長為中心展開的現(xiàn)象，故又稱準(zhǔn)彈性散射。布朗運(yùn)動是由于與環(huán)繞粒子的分子隨機(jī)碰撞引起的粒子運(yùn)動。動態(tài)光散射技術(shù)是指通過測量樣品散射光強(qiáng)度起伏的變化來得出樣品顆粒大小信息的一種技術(shù)。樣品中的分子不停地做布朗運(yùn)動使得散射光產(chǎn)生多普勒頻移。2021/6/273測試原理粒子的布朗運(yùn)動導(dǎo)致光強(qiáng)的波動，動態(tài)光散射----測量光強(qiáng)的波動隨時間的變化；光子相關(guān)器(Correlator)將光強(qiáng)的波動轉(zhuǎn)化為相關(guān)方程；相關(guān)方程檢測光強(qiáng)波動的速度，從而我們得到粒子的擴(kuò)散速度信息和粒子的粒徑d(h)；從相關(guān)方程我們還可以得到尺寸的分布信息。2021/6/274檢測器兩束光線相干，產(chǎn)生光的相消而減弱散射光的強(qiáng)度考慮兩個靜止顆粒布朗運(yùn)動與散射光2021/6/275布朗運(yùn)動與散射光兩束光線相干，產(chǎn)生光的相增而增強(qiáng)散射光的強(qiáng)度考慮兩個靜止顆粒檢測器2021/6/276布朗運(yùn)動與散射光檢測器布朗運(yùn)動特點(diǎn)：小粒子運(yùn)動快速，大粒子運(yùn)動緩慢。由于粒子在不停地運(yùn)動，散射光斑也將出現(xiàn)移動；由于粒子四處運(yùn)動，散射光的相位相互疊加，將引起光亮區(qū)域和黑暗區(qū)域呈光強(qiáng)方式增加和減少或以另一種方式表達(dá)，光強(qiáng)也呈波動形式。即：粒子的布朗運(yùn)動導(dǎo)致光強(qiáng)的波動。2021/6/277散射光強(qiáng)的波動散射光強(qiáng)依賴于粒子的大小散射光強(qiáng)的信息被傳輸?shù)焦庾酉嚓P(guān)器相關(guān)器連續(xù)加和處理從散射信號中得到的很短時間的波動信息進(jìn)而得到相關(guān)曲線Time(s)Intensity(kcps)SmallParticlesTime(s)Intensity(kcps)LargeParticles2021/6/278TimeIntensity相關(guān)性:

小粒子，光強(qiáng)波動比較快散射光強(qiáng)的波動2021/6/279TimeIntensity0TimeCorrelationCoefficient10

=0相關(guān)性:

小粒子，光強(qiáng)波動比較快散射光強(qiáng)的波動2021/6/2710TimeIntensity01Time10

=1CorrelationCoefficient散射光強(qiáng)的波動相關(guān)性:

小粒子，光強(qiáng)波動比較快2021/6/2711散射光強(qiáng)的波動相關(guān)性:

小粒子，光強(qiáng)波動比較快TimeIntensityTime10012

=2CorrelationCoefficient2021/6/2712

=3TimeIntensityTime100123CorrelationCoefficient散射光強(qiáng)的波動相關(guān)性:

小粒子，光強(qiáng)波動比較快2021/6/2713散射光強(qiáng)的波動相關(guān)性:

小粒子，光強(qiáng)波動比較快TimeIntensityTime100

=

123CorrelationCoefficient2021/6/2714相關(guān)方程（曲線）衰減的過程與粒子尺寸的分布相關(guān)基線是否歸零告訴我們是否有灰塵的存在初始斜率依賴于粒子大小截距2021/6/2715光強(qiáng)波動，相關(guān)函數(shù)和粒徑分布CorrelateApplyAlgorithmTime(s)Intensity(kcps)SmallParticlesCorrelateApplyAlgorithmTime(s)Intensity(kcps)LargeParticles2021/6/2716運(yùn)算法則--累積矩法lng1(t)=lnA－

Гt＋(m2/2!)t2

＋(m3/3!)t3這里t是衰減時間

Г為衰減率，與z-均擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)

Г=q2

Dq為散射矢量，q=(4πn/λ0)sin(q/2)n為折光指數(shù)，λ0為入射光波長由z-均擴(kuò)散系數(shù)得到z-均直徑m2/

Г2為分布系數(shù)PDI2021/6/2717Stokes-Einstein方程動態(tài)光散射測量依賴于時間的散射光強(qiáng)波動。由動態(tài)光散射可以得到粒子擴(kuò)散速度的信息,進(jìn)而從Stokes-Einstein方程得到流體力學(xué)直徑hydrodynamicdiameter(dH)

D:擴(kuò)散系數(shù),kB：波爾茲曼常數(shù),T：絕對溫度,

：粘度2021/6/2718流體力學(xué)直徑表面上枝接的一層分子將會降低擴(kuò)散速度因此，流體力學(xué)直徑將會受到表面結(jié)構(gòu)的影響測得的直徑2021/6/2719分布系數(shù) 分布系數(shù)值注解<0.05單分散體系，如一些乳液的標(biāo)樣。<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。0.08to0.7適中分散度的體系。運(yùn)算法則的最佳適用范圍。>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。2021/6/2720光強(qiáng)、體積和數(shù)量分布數(shù)量平均粒徑

28nm體積平均粒徑

49nm光強(qiáng)平均粒徑=50nmRelative%inclassDiameter(nm)55011Relative%inclassDiameter(nm)5501,000,0001Relative%inclassDiameter(nm)55011,000N1:N2N1*3/4πr13:N2*3/4πr23

N1V1:N2V2N1V12:N2V22

米氏理論，輸入顆粒的折光指數(shù)和吸收率數(shù)量分布體積分布光強(qiáng)分布設(shè)想一個由相等數(shù)量的5nm和50nm球形粒子組成的混合物

Mietheory

Mietheory(Rayleightheory)2021/6/2721粒子尺度分布光強(qiáng)分布，體積分布和數(shù)量分布之間的相互轉(zhuǎn)換基于以下前提:所有的粒子都是球型的所有的粒子都是均勻的，且密度相同光學(xué)性質(zhì)已知（折光指數(shù)，吸收率）動態(tài)光散射DLS技術(shù)往往高估分布峰的寬度，這個影響可以從體積分布和數(shù)量分布的相互轉(zhuǎn)換過程中體現(xiàn)體積和數(shù)量分布中，峰的平均值和分布寬度只能用來估計(jì)成分的相對量?？偟膩碚f，

d(intensity)>d(volume)>d(number)2021/6/2722樣品要求樣品應(yīng)該較好的分散在液體介質(zhì)中理想條件下，分散劑應(yīng)具備以下條件:透明和溶質(zhì)粒子有不同的折光指數(shù)應(yīng)和溶質(zhì)粒子相匹配(也就是：不會導(dǎo)致溶脹,解析或者締合)掌握準(zhǔn)確的折光指數(shù)和粘度，誤差小于0.5%干凈且可以被過濾2021/6/2723粒徑下限依賴于：粒子相對于溶劑產(chǎn)生的剩余光散射強(qiáng)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(qiáng)度和波長檢測器敏感度儀器的光學(xué)構(gòu)造2021/6/2724粒徑上限動態(tài)光散射測量粒子無規(guī)則的熱運(yùn)動/布朗運(yùn)動若粒子不進(jìn)行無規(guī)則運(yùn)動，動態(tài)光散射無法提供準(zhǔn)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(yīng)考慮粒子和分散劑的密度2021/6/2725樣品濃度從動態(tài)光散射得到的樣品尺寸應(yīng)該不依賴于濃度每種樣品都有其理想的測試濃度范圍如果濃度太低，可能散射光強(qiáng)不足以進(jìn)行試驗(yàn)如果樣品濃度太高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會依賴于濃度為了得到正確的尺寸信息，可能會需要在不同的濃度下檢測樣品尺寸2021/6/2726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(kuò)散受限–其他粒子的存在使自由擴(kuò)散受到限制聚集效應(yīng)–依賴于濃度的聚集效應(yīng)應(yīng)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(kuò)散2021/6/2727樣品濃度范圍2021/6/2728樣品制備使用干凈的樣品池！緩慢注入溶液以避免產(chǎn)生氣泡

如果使用注射管濾膜過濾樣品，請放棄開始的幾滴溶液以避免在濾膜下面的灰塵進(jìn)入樣品池用蓋子將樣品池封住將樣品池放入儀器時，▽標(biāo)志面向自己2021/6/2729樣品制備：稀釋如果樣品濃度很高，則需要將溶液稀釋；稀釋樣品時須注意保持樣品原來的性質(zhì)；稀釋溶液應(yīng)和原來的樣品溶液保持相同的性質(zhì)；如果樣品很多，稀釋液可以由過濾或者離心原來的樣品溶液除去溶質(zhì)而得到；如果樣品太少，稀釋液應(yīng)盡量按原溶液性質(zhì)制備。2021/6/2730樣品制備：超聲與過濾超聲對于不易分散的樣品，超聲是非常有用的技術(shù)；某些材料的粒度與超聲的功率和時間緊密相關(guān)；乳液不能用超聲。過濾灰塵是光散射實(shí)驗(yàn)最主要的問題之一，灰塵的存在可能導(dǎo)致測試失??；為了避免灰塵的影響，樣品溶液在測試之前應(yīng)該被適當(dāng)?shù)倪^濾。2021/6/2731數(shù)據(jù)分析：光強(qiáng)的重復(fù)性同一個樣品重復(fù)至少三次測試-光強(qiáng)誤差應(yīng)該在百分之幾以內(nèi)在連續(xù)測試過程中光強(qiáng)增強(qiáng)意味著:粒子聚集在連續(xù)測試過程中光強(qiáng)減弱意味著:粒子沉淀粒子溶解在連續(xù)測試過程中光強(qiáng)無規(guī)則變化意味著:粒子不穩(wěn)定(聚集或分離)2021/6/2732數(shù)據(jù)分析：z-均直徑重復(fù)性多次z-均直徑的測試結(jié)果誤差應(yīng)在1%-2%之內(nèi)z-均直徑增長意味著:粒子聚集溫度不穩(wěn)定(粘度隨溫度變化)z-均直徑下降意味著:粒子沉淀粒子溶解溫度不穩(wěn)定(粘度隨溫度變化)2021/6/2733數(shù)據(jù)分析：尺寸分布重復(fù)性對于尺寸分布結(jié)果應(yīng)該檢查分布峰的位置和包含的面積的重復(fù)性；如果分布沒有重復(fù)性，建議重新測量，并將測試時間延長。2021/6/2734數(shù)據(jù)分析：相關(guān)曲線圖相關(guān)曲線圖顯示在特定時間段下每個通道的相干性，其中包含樣品的信息曲線的形狀能夠顯示一些可能出現(xiàn)的明顯的問題應(yīng)檢查相關(guān)曲線中的噪音狀況噪音可由不同原因造成-光強(qiáng)太弱，樣品不穩(wěn)定，或者一些外部原因如散射光和其它雜散光源的相互干涉2021/6/2735數(shù)據(jù)分析：相關(guān)曲線圖小粒子中等分布指數(shù)存在大的粒子/締合(基線不平)2021/6/2736數(shù)據(jù)分析：相關(guān)曲線圖大粒子高分布指數(shù)很大的粒子/締合物(基線不平)截距