GB∕T 29022-2021 粒度分析 動態(tài)光散射法(DLS)

?ICS19.120CCSA28

中華人民共和國國家標準

GB/T29022—2021/ISO22412:2017

代替GB/T29022—2012

粒度分析動態(tài)光散射法(DLS)

Particlesizeanalysis—Dynamiclightscattering(DLS)

(ISO22412:2017,IDT)

2021-12-31發(fā)布

2022-07-01實施

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GB/T29022—2021/ISO22412=2017

目次

tuW I

弓iw n

i翻 i

2規(guī)范性引用文件 1

3術語和定義 1

43

5關 3

6測量裝置 4

6.1激光器 4

6.2光學系統(tǒng) 4

6.3樣品池 5

6.4光電檢測器 5

6.5信號處理單元 5

6.6計算單元 5

6.7儀器安置 5

7樣品的制備 6

7.1il則 6

7.2濃度極限 6

7.3濃度適宜性檢查 6

8測量步驟 7

9結果計算 8

9.1il則 8

9.2相關分析 8

9.3頻率分析 10

10系統(tǒng)確認和質量控制 10

10.1系統(tǒng)確認 10

10.2測量結果的質量控制 11

10.3方法精密度和測量不確定度 11

11測試報告 11

附錄A（資料性）理論背景 13

附錄B（資料性）測量過程的潛在影響因素及減小影響的指南 19

附錄C（資料性）在線測量 22

附錄D（資料性）樣品制備的推薦程序 23

26

GB/T29022—2021/ISO22412=2017

本文件按照GB/T1.1—2020（（標準化工作導則第1部分:標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。

本文件代替GB/T29022—2012（（粒度分析動態(tài)光散射法（DLS）》，與GB/T29022—2012相比，除結構調整和編輯性改動外，主要技術變化如下：

一更改了規(guī)范性引用性文件中的文件（見第2章.2012年版的第2章）；

一增加了顆粒、平均流體動力學粒徑、標準物質、有證標準物質的術語和定義（見第3章）；增加了對/。、M\rmax、rmin的名稱及單位的說明（見表1）；

一在“原理”一章中增加了對粒徑測量上限和對流動樣品測量的描述（見第5章）；一增加了對“互相關檢測方法”的說明，并給出了光路圖（見6.2）；

一增加了自相關函數(shù)、信號功率譜和互相關方法的計算方法（見6.6）；

一更改了對分散介質的要求，并增加了壓縮或減少雙電層的方法（見7.1,2012年版的8.2）；一增加了對樣品濃度上下限的通用要求（見7.2）；

一增加了對樣品濃度適宜性的常規(guī)檢查方法，對樣品濃度的選擇提供指導（見7.3）；

一對測量步驟進行了細化并增加了如下內容:樣品測量池選擇方法、樣品腔無溫度傳感器儀器的樣品溫度控制及測量方法、需要記錄的信息、樣品平均散射強度檢查方法（見第8章）；

一刪除了平均粒徑及多分散指數(shù)的計算（見2012年版的第6章），對現(xiàn)有的幾種標準化算法進行了歸納總結（見第9章）；

一更改了系統(tǒng)確認方法，并增加了系統(tǒng)確認的方法實例（見10.1.2012年版的第10章）；一增加了“測量結果的質量控制”條目，并給出了相應的技術方法（見10.2）；

一增加了“方法精密度和測量重復性”條目，并分別給出了重復性和重現(xiàn)性的要求（見10.3）。本文件等同采用ISO22412：2017?粒度分析動態(tài)光散射法（DLS）》。

請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國顆粒表征與分檢及篩網(wǎng)標準化技術委員會（SAC/TC168）提出并歸口。

本文件起草單位：中國計量科學研究院、珠海歐美克儀器有限公司、太原理工大學、丹東百特儀器有限公司、上海思百吉儀器系統(tǒng)有限公司（馬爾文帕納科（中國））、深圳國技儀器有限公司、國家納米科學中心、中機生產(chǎn)力促進中心、山東理工大學、珠海真理光學儀器有限公司、華南師范大學、北京市理化分析測試中心、上海市計量測試技術研究院、河南省計量科學研究院、北京粉體技術協(xié)會。

本文件主要起草人：劉俊杰、傅曉偉、韓曉霞、董青云、楊凱、朱平、朱曉陽、侯長革、劉偉、張福根、韓鵬、高原、吳立敏、肖驥、張文閣、路興杰、周素紅。

本文件及其所替代文件的歷次版本發(fā)布情況為：

——2012年首次發(fā)布為GB/T29022—2012；

——本次為第一次修訂。

I

GB/T29022—2021/ISO22412=2017

動態(tài)光散射法（DLS）已成為亞微米級范圍內測量顆粒流體動力學直徑的一種常規(guī)方法。此項技術的成功應用主要在于：已推出使用便捷的商品化儀器，可以在幾分鐘內得出平均粒徑及其分布。盡管如此，仍需采取相關措施保證儀器的正確使用和對測量結果的合理解釋。

針對動態(tài)光散射原理現(xiàn)已開發(fā)了多種測量方法，這些方法可分為如下幾類：

0.1不同的原始數(shù)據(jù)獲取方法（自相關法、互相關法、頻譜分析法）

0.2不同的光路設計（零差式和外差式）

0.3不同的探測角度

此外，由于激光光源種類和運算處理方法［累積量法、非負最小二乘法（NNLS）、歸一化法（CONTIN）等］的不同，不同類型儀器之間也表現(xiàn)出一定的差異。

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粒度分析動態(tài)光散射法(DLS)

1范圍

本文件規(guī)定了利用動態(tài)光散射法(DLS)測量分散于液體中主體為亞微米級顆粒、乳劑或微細氣泡的平均流體動力學粒徑和粒度分布的方法。DLS也稱為“準彈性光散射法(QELS)”和“光子相關光譜法(PCS)”，盡管光子相關光譜法實際上是測量技術之一。

本文件適用于對寬濃度范圍內稀釋及濃懸浮液的測量。在測量高、低濃度樣品時，DLS使用相同的測量原理，但高濃度樣品對儀器構造、樣品制備等方面有特殊要求。在高濃度狀態(tài)下，顆粒間相互作用、多重散射的主導效應顯現(xiàn)，會導致高、低濃度樣品粒徑測量結果的顯著差異。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。

ISO9276-1粒度分析結果的表述第1部分：圖形表征(Representationofresultsofparticlesizeanalysis—Part1:Graphicalrepresentation)

注：GB/T15445.1—2008粒度分析結果的表述第1部分：圖形表征(ISO9276-1：1998,IDT)

ISO9276-2粒度分析結果的表述第2部分：由粒度分布計算平均粒徑/直徑和各次矩(Representationofresultsofparticlesizeanalysis—Part2:Calculationofaverageparticlesizes/diametersandmomentsfromparticlesizedistributions)

注：GB/T15445.2—2006粒度分析結果的表述第2部分：由粒度分布計算平均粒徑/直徑和各次矩(ISO9276-2：2001,IDT)

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1

顆粒particle

有明確物理邊界的微小物質。

注1：物理邊界也可以描述為界面。

注2:顆粒能夠作為一個整體移動。

注3:又稱粒子。

［來源：ISO26824:2013,1.1,有修改］

3.2

平均流體動力學粒徑averagehydrodynamicdiameter

尤DLS

反映粒度分布中值的流體動力學直徑。

注1:平均粒徑直接測定，既可以不計算粒徑分布，也可以從光強加權分布、體積加權分布或數(shù)量加權分布，以及擬合(轉換)的密度函數(shù)中計算得到。顆粒平均粒徑的確切意義與計算方法相關。

注2:累積量法給出散射光強加權的諧平均粒徑，有時也稱為Z均粒徑。

注3:根據(jù)ISO9276-2.算術、幾何、諧平均值也可以從粒度分布計算得到。

注4:由密度函數(shù)（線性坐標）和變換的密度函數(shù)（對數(shù)坐標）計算得到的平均值可能會有顯著差異（見ISO9276-1）o注5: 與顆粒形狀與散射矢量（進而與探測角度、激光波長和懸浮液介質的折射率）相關。

注6:又稱平均粒徑。

3.3

多分散指數(shù)polydispersityindex

PI

用于描述粒度分布寬度的無量綱量。

注：對于單分散球形顆粒樣品，PI通常小于0.07。

3.4

散射體積scatteringvolume

人射光束與檢測器接收到的散射光的交叉部分。

3.5

散射強度scatteredintensity

散射體積內的顆粒散射光的強度。

3.6

光子計數(shù)率photoncountrate

光電流photocurrent

L

單位時間內的光子脈沖數(shù)。

注：也稱為光電檢測器電流，與檢測器測得的散射光強成正比。

3.7

驗證validation

利用標準物質證明某一測量程序的所有要素均可接受。

注：準確性評價需使用有證標準物質。

3.8

標準物質referencematerial；RM

具有一種或多種規(guī)定特性足夠均勻且穩(wěn)定的材料，已被確定其符合測量過程的預期用途。［來源：ISOGUIDE30:2015,2.1.1,有修改］

3.9

有證標準物質certifiedreferencematerial；CRM

采用計量學上有效程序測定的一種或多種規(guī)定特性的標準物質，并附有證書提供規(guī)定特性值及其不確定度和計量溯源性的陳述。

附有證書的標準物質，其一種或多種特性值用建立了溯源性的程序確定，使之可溯源到準確復現(xiàn)的用于表示該特性值的計量單位，且每個標準值都附有給定置信水平的不確定度。

［來源：ISOGUIDE30:2015,2.1.2,有修改］

3.10

確認qualification

用標準物質證明所使用儀器的性能與其指標一致。

29

4符號

下列符號適用于本文件。

c(r)

fg(1)(r)

G(2)(r)

G(rp

/s

Io

MnPk)

PI

△Qint，；

衰減率或特征頻率的歸一化分布函數(shù)平動擴散系數(shù)

整體擴散系數(shù)

自擴散系數(shù)

頻率，/=co/(2^

歸一化的電場相關函數(shù)

散射光強相關函數(shù)

衰減率r,的歸一化分布函數(shù)

散射光強度，計數(shù)率，光電流

人射光強度

在直方圖中的分檔數(shù)

分散介質的折射率

功率譜

多分散指數(shù)

在第I個粒徑分檔中(即Xt-i<Zx)

的顆粒數(shù)

在本文件中表示顆粒的流體動力學直徑

平均流體動力學粒徑

衰減率或者特征頻率分布函數(shù)的散射光強加權平均值

X

XDLS

r

最大衰減率(直方圖法)

最小衰減率(直方圖法)

7

e

Ao

q

(P

a>

分散介質的黏度

散射角

激光在真空中的波長

衰減率或者特征頻率分布函數(shù)的二階累積量顆粒密度

相關時間

散射向量模量

顆粒體積分數(shù)

角頻率

無量綱數(shù)值

平方米每秒(m2/s)

平方米每秒(m2/s)

平方米每秒(m2/s)

赫茲(Hz)

無量綱數(shù)值

任意單位

任意單位

任意單位

任意單位

無量綱數(shù)值

無量綱數(shù)值

任意單位

無量綱數(shù)值

，散射光強加權任意單位

納米(nm)

納米(nm)

每秒(s-1)

每秒(s^1)

每秒(s-1)

厘泊(mPa?s)

度O

納米(nm)

秒平方的倒數(shù)(s^2)

克每立方厘米(g/cm3)秒(s)

每納米(nm-1)

無量綱數(shù)值

弧度每秒(rad/s)

5原理

懸浮于液體中的顆粒由于與懸浮介質分子的相互作用而持續(xù)做不規(guī)則的布朗運動。在布朗運動的斯托克斯-愛因斯坦(Stokes-Einstein)理論中，極低濃度下光滑球形顆粒的運動是由懸浮液的黏度、溫度以及顆粒大小決定的。因此，若懸浮液溫度和黏度已知，通過測量液體中的顆粒運動，可確定顆粒粒徑。

DLS技術采用光學的方法探測顆粒運動。懸浮顆粒被相干單色光源照射時，由于懸浮顆粒運

動而造成散射位置隨時間變化，使得散射光相位也隨時間而變化。散射光相位隨時間的變化既可以被視為相位移動，也可被視為相對于光源頻率的頻移。在測量時間內，顆粒隨機運動形成了散射光相移分布或光譜頻移分布?？赏ㄟ^比較所有的散射光（零差或自拍模式）或比較散射光與部分人射光（外差模式）來確定這些偏移。若不考慮光學裝置的差異，從顆粒收集到的光信號與顆粒的散射效率及散射光強權重相關。

顆粒的沉降（取決于顆粒密度）使得該技術有一定的粒徑測量上限，通常該上限遠低于10Mm。

DLS—般適用于靜態(tài)懸浮液的測量。當流動方向與測量軸相互垂直時，若對測量程序進行適當?shù)拇_認（見附錄C），在特定情況下可實現(xiàn)對流動樣品的測量。

不同的擴散模型、顆粒間的相互作用、多重散射、熒光效應等均顯著影響DLS測得的顆粒粒徑。具體見附錄B。

6測量裝置

典型的測量裝置包含如下部件。

6.1激光器

發(fā)射相干單色光，其電場分量極化方向垂直于人射光束與探測光線構成的平面（垂直偏振）。可選用多種激光器，例如：氣體激光器（氦氖激光、氬離子激光）、固體激光器、高能二極管泵浦固體激光器和激光二極管。

6.2光學系統(tǒng)

透鏡組及相關光學設備用于將人射激光聚焦于散射體積并探測散射光。光纖經(jīng)常作為檢測系統(tǒng)的一部分并用作導光部件。

通過使用相干參考光束，利用散射光和參考光的干涉可實現(xiàn)對散射光頻移的測量，圖la）和圖lb）為兩種常見的參考光檢測方法。

a）零差式 b）外差式 c）互相關式（等于2個同步零差實驗裝置）

標引序號說明：

1——激光；

2——樣品；

3——檢測器；

4——自相關器或頻譜分析器；

5 分光片；

6 透鏡組。

圖1DLS的典型光路

一在零差式檢測（也稱自拍式檢測）中［見圖la）］，被檢測到的全部散射光在檢測器表面混合，并

作為頻率差或相位差測量的參考。

一在外差式檢測中［見圖lb）］，散射光與部分人射光混合。頻率沒有改變的人射光作為頻率差或相位差測量的參考。

注：在DLS中，“外差式”可理解為散射光與來自同一光源的非散射光的混合。這一說法與光學干涉儀中的說法不同。

一在互相關式檢測中［見圖lc）］，同時進行兩個零差檢測，在這種模式下，盡管兩個散射矢量和兩個散射體積都相同，但對應的波矢量卻不一致。兩個光束會產(chǎn)生相關的波動信號。這種相關性并不完美，一方面因為兩個探測器均會接收到來自另一光路的散射光，另一方面因為對人射激光束的多重散射完全不相關。多重散射對檢測信號的雙重貢獻對時間相關信號沒有影響，但是會增強背景信號。

6.3樣品池

樣品溫度波動控制在±0.3°C。盡管在計算吋需要準確獲取樣品的溫度，但無需將溫度調節(jié)至任一特定值。

6.4光電檢測器

輸出響應值與收集到的散射光強度成比例。通常選用光電倍增管或（雪崩式）光電二極管。檢測器可以安裝在任意角度，可用線性方式或對數(shù)方式采集數(shù)據(jù)。

6.5信號處理單元

可處理與時間相關的散射光強度信號，并同時輸出信號的自相關函數(shù)、互相關函數(shù)或功率譜。這種相關處理可以在線性、對數(shù)或混合模式下通過使用硬件和/或軟件相關器而實現(xiàn)。

上述任一模式所得到的結果中包含代表懸浮顆粒粒徑的特征頻率或時間相關相位的分布。在光子檢測中光子到達時間具有概率分布，意味著即使人射光恒定，所獲取的信號仍具有波動性。在不同時段到達的光子強度疊加在這一波動信號上。在相關分析中，非相關信號是恒定的，而進行擴散運動顆粒的信號則呈指數(shù)衰減。在頻譜分析中，非相關信號是類似于一個直流或零頻率項而不被記錄，而與時間相關的信號則被分析并依據(jù)DLS理論測量顆粒粒度分布。

6.6計算單元

可進行信號處理并得到粒徑和/或粒度分布，一些計算單元也兼具信號處理單元功能。一通過自相關函數(shù)計算，可在不計算粒度分布的情況下確定平均粒徑，但也可計算粒度分布。一在使用信號功率譜模式下，通過頻率分布計算得到粒度分布。

一通過光子互相關計算，可將多重散射的影響量化或最小化，從而將濃度適用范圍擴展到高濃度（但是不能消除顆粒間的相互作用）。這種方法的缺點是需要更為復雜的光學裝置。

6.7儀器安置

儀器應置于潔凈的環(huán)境中，避免強烈的電氣干擾和機械震動，避免陽光直射。如果使用有機液體作為懸浮介質，應考慮當?shù)氐慕】岛桶踩?，并配有良好的通風設施。為避免光學系統(tǒng)的頻繁對焦，儀器應放置在堅固的工作臺上。

警告:DLS儀器裝有較低或中等功率的激光器，其輻射可能造成永久性眼損傷。切勿直視激光束或者反射光束。當激光光束開啟時，在光路中勿使用具有高反射表面的物體。請務必遵守關于激光輻射安全的具體規(guī)定。

7樣品的制備

7.1通則

樣品中應包含在液體介質中有良好分散性的顆粒。分散過程如超聲、過濾等可能會影響測量結果，因此在報告中需對分散過程予以說明。介質應滿足下列要求：

a） 足夠透明（不產(chǎn)生吸收）且在使用激光的波長下無熒光；

b） 無顆粒污染物；

c） 不會造成樣品顆粒的溶解、膨脹、團聚；

d） 具有已知的、且與顆粒具有較大差異的折射率；

e） 在測量溫度范圍內，黏度值在已知數(shù)值±2%偏差以內；

注：由于7DbS與黏度值7）成比例，7Dts不確定度將大于v的不確定度。

f） 符合低背景散射原則（可通過單獨測量懸浮介質的光子計數(shù)率和測量不含樣品或試劑的暗計數(shù)進行檢查。前者測量結果至少應比樣品結果低一個數(shù)量級，后者結果應在儀器推薦的范圍內）。

若對雙電層的壓縮不夠充分，可對流體動力學直徑的結果產(chǎn)生顯著影響。具有高離子強度的介質可有效壓縮帶電或雙擴散層，從而使得DLS與電子顯微鏡測量結果的一致性更好。通常，介質的電導率達到1mS/cm就可獲得上述結果，對小顆粒樣品尤為如此。

水是常用的分散介質，推薦使用新制備的經(jīng)0.2濾膜過濾的去離子水?？赏ㄟ^向樣品中加人少量離子添加劑（如濃度為10mmol/L=0.6g/L的NaCl）的方式減少雙電層厚度。然而需注意的是，所加人的離子添加劑不應破壞樣品穩(wěn)定性或不與樣品發(fā)生反應（例如cr與Ag+）。

7.2濃度極限

顆粒粒徑、檢測靈敏度、散射體內的顆粒數(shù)等因素決定了DLS的濃度下限。

含顆粒樣品所產(chǎn)生的散射光強度（用計數(shù)率或Is表示）應至少比分散介質自身的散射光強度大10倍。較低的顆粒質量分數(shù)或較寬的顆粒粒徑分布會導致散射強度比低于10,從而使得測量結果波動變大、精度變差。

粒徑測量結果不受濃度影響條件下，分散顆粒的最高濃度由顆粒間的相互作用和多重散射決定。該濃度極限宜憑經(jīng)驗通過稀釋來確定（見附錄B）。

7.3濃度適宜性檢查

不同的儀器可能會有不同的測量角和光路設計，以下給出的為常規(guī)的觀察和檢查方法，宜同時參考特定儀器的操作建議。

推薦使用以下的觀察和檢查方法：

a） 在放人儀器前，應先對分散樣品進行目視檢查。低濃度樣品應是透明的，高濃度樣品呈云霧狀或渾濁。

b） 測量前，將樣品放人儀器測量池并進行溫度平衡，檢查光子計數(shù)率或信號水平。光子計數(shù)率或信號水平的調節(jié)可通過如下方式實現(xiàn)：改變接收器的光闌（亦改變探測器的相干度h調節(jié)接收器的增益；通過改變光源的功率（有限的調節(jié)）或在光源或檢測器前加裝中性濾光片的方式調節(jié)人射激光功率。

c） 對于采用自相關分析模式的測量儀器，測量時需使用適當?shù)南嚓P器設定值，并對截距值進行核查，確保其高于儀器廠商的規(guī)定值。光學系統(tǒng)準直性差、多重散射或樣品散射弱都可能造成截距值降低。對于弱散射樣品，需增大接收器光闌，但會導致檢測到多個相干區(qū)域，造成截距值

降低。對于較大的顆粒，可能需增大測量體積以提高顆粒的測量數(shù)量，但該過程可能會造成截距值減小。樣品的吸光或熒光現(xiàn)象也可能造成截距值低于預期值。上述這些因素均有可能使截距值減小，需要進一步的檢測以找明原因。

d）在給定的測量不確定度水平下，不同濃度范圍內的測量結果應一致。若測得的顆粒尺寸隨濃度增加而減小，表明存在顯著的多重散射，或稀釋劑與原始懸浮液黏度的差異造成懸浮液黏度發(fā)生改變，以及/或顆粒的整體運動。也可通過對不同濃度樣品的測量外推得到無限稀釋時的粒徑大?。垡姷?章列項k）］。

在許多應用中，當粒徑小于500nm時，分散顆粒的體積分數(shù)（^）在1（F5?1（F4范圍吋是滿足濃度要求的。對于互相關和后向散射技術，所能達到的濃度測量上限則與樣品有關。對于多分散樣品和/或大顆粒樣品，可通過增加接收器的相干孔徑或增大人射激光光束直徑的方式來增大測量體，從而找到可滿足所有要求的濃度。在此情況下，截距值可能無法滿足c）中的規(guī)定標準。若顆粒粒徑大于1時，

c）和d）中的要求只能在特殊的情況下才能得到滿足。

建議記錄所有樣品制備步驟（分散介質、顆粒濃度、分散過程），推薦的樣品制備方法見附錄D。8測量步驟

按照以下步驟進行測量：

a） 接通儀器電源并預熱。通常需15mm?30mm使激光強度穩(wěn)定，測量池達到設定溫度。注1：在很多實際應用中，需要對溫度進行監(jiān)測而非控制，并需提供所測溫度下的懸浮介質黏度。

b） 檢查盛有懸浮介質的樣品池，光子計數(shù)率或信號水平宜較低且無劇烈波動，以確保無顆粒污染。若光子計數(shù)率或信號水平較高，可能樣品池壁有劃痕或樣品池沾污。對于具有背景信號扣除的儀器，應測量及儲存分散介質的背景信號。

c） 目視檢查樣品中是否有可視顆粒物、絮狀、纖維狀和其他污染物，若有，需重新制備樣品。

d） 向適宜且潔凈的樣品池中注人一定量的樣品。樣品池可為一次性（如塑料材質）或可重復使用的（如光學玻璃或石英材質）。與一次性塑料樣品池相比，玻璃樣品池的優(yōu)點是折射率低，因此當散射光穿過樣品池后，實際測量角與檢測器和人射光的幾何夾角一致。樣品池材質應與分散介質及顆粒具有化學相容性。在加人樣品前，應使用經(jīng)過濾的去離子水清洗樣品池，分散體系為非水相時則使用溶劑清洗樣品池。為防止殘留污染，尤其是對于光學樣品池，可使用中性的表面活性劑溶液或皂液進行清洗。為去除殘留的表面活性劑，可使用經(jīng)過濾的去離子水多次清洗樣品池。通過將樣品池倒置的方式可將水排空，清洗后的樣品池應加蓋放置。

用于去離子水或溶劑過濾的濾膜孔徑宜能滿足實際應用。理想情況下，宜使用孔徑小于最小檢測粒徑的濾膜。測量中可使用一次性塑料樣品池（如：聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯）。但該類樣品池池壁易被刮損且無法提供和玻璃或石英一樣的光學性能。因此，一次性塑料樣品池不能用于弱散射樣品的測量，且只能使用懸浮液沖洗和/或使用潔凈氣體去除池壁表面灰塵的方式進行清洗。注意，切勿用手直接觸碰樣品池表面或用粗糙的材料（包括光學紙或紙巾）擦拭樣品池表面。

將樣品放人測量儀器或將測量探頭放人樣品中，待其溫度平衡。測量過程中應盡可能減小溫度波動且溫度測量準確性宜優(yōu)于±0.5°C。

若儀器樣品腔無溫度傳感器，可選用如下方法：方法一，測量室溫，之后設定儀器的測量腔溫度，將其控制在室溫的士0.3°C范圍內。隨后，樣品可在室溫下進行溫度平衡，放人樣品腔后應立即測量。方法二，將樣品放人恒溫浴中進行溫度平衡，恒溫浴溫度應控制在儀器樣品腔溫度的±0.31范圍內。使用該方法需注意，將樣品池放人DLS儀器前應保持其外部干燥。

對于水相介質樣品，在室溫條件下未達到溫度平衡而造成的粒徑測量誤差約為2%/°C。注2:對于盛有1mL樣品的樣品池，測量體積內液體溫度改變3°C且達到溫度平衡所需時間約為10min。

e） 若待測樣品為非氣泡樣品，應確保樣品中及樣品池壁無附著的氣泡。

f） 記錄下列已知的信息：樣品標識、測量日期和時間、持續(xù)時間、測量次數(shù)、測量溫度、測量過程中溫度的波動、分散介質的折射率和黏度、顆粒濃縮/稀釋比、激光波長、散射角以及顆粒濃度。

g） 檢查樣品的平均散射強度

在零差式光路系統(tǒng)中，建議通過調節(jié)激光輸出功率、使用中性濾光片、調小檢測光闌的方式控制散射光平均強度，也可在廠商規(guī)定的范圍內調節(jié)接收器的靈敏度，以保持檢測的連貫性。另夕卜，待測樣品的散射光信號宜至少為分散介質自身信號的10倍。

在外差式光路系統(tǒng)中，參考信號宜遠遠大于待測樣品的散射信號（參考信號與散射信號比爭取達到10:1）。評價散射信號是否遠大于懸浮介質自身信號時，參考信號最好能被阻斷。

h） 若散射信號強度中突然出現(xiàn)高計數(shù)脈沖，則意味著待測樣品已被污染，此吋宜停止測量。

i） 如果自相關函數(shù)不是單調遞減或功率譜不是洛倫茲型，則宜停止測量。

j） 使用累積量法時，記錄每一次測量的平均粒徑和多分散指數(shù)PI。

k） 若粒徑測量值與濃度表現(xiàn)出顯著的相關性，應以外推至無限稀釋樣品的粒徑（或在最低允許濃度下測得的粒徑）作為測量結果。為不改變顆粒-溶液間的相互作用，應使用與溶液具有相同鹽濃度、表面活性劑、pH值的無顆粒介質進行稀釋。

盡管上述檢查方法可將多重散射導致的影響降至最低，但在體積分數(shù)大于0.01且直徑小于100nm的特殊體系中，顆粒間相互作用會使平均粒徑結果產(chǎn)生偏差。因此對于一個未知的分散體系，推薦至少在相差2倍濃度范圍內進行測量。

l） 測量結束后，可通過目測或對多次連續(xù)測量結果趨勢進行檢查，確定測量樣品中有無顯著顆粒沉降。若發(fā)現(xiàn)有沉降，則宜判定DLS是否適用于該樣品，是沉降足夠小、對測量精度的影響在允許范圍內，還是該樣品不適于用DLS測量。

9結果計算

9.1通則

DLS的分辨力較低，不能分辨窄間距多峰樣品的粒徑分布。低分辨力也意味測量值與質量中值粒徑D5。的偏差會有越來越大的不確定度。

DLS的原始信號為光強加權光散射信號。很多儀器可通過對光強加權光散射信號的分析計算得到體積加權或數(shù)量加權結果。在很多計算方法中，由于包含了對光強加權粒徑分布Qint的平滑處理，從而會引人不確定度。另外，散射強度與顆粒粒徑的非線性關系是影響所有計算方法的另外一個因素。鑒于上述原因，不推薦將光強加權粒徑分布轉化為體積加權粒徑分布，更不贊成將DLS結果轉化為數(shù)量加權粒徑分布，尤其是使用了光強加權粒徑分布0、：平滑處理的計算方法。

與激光衍射（光衍射）或顯微鏡（透射電子）技術相比，DLS測得的粒徑分布基于不同的物理特性，因此測量結果會不一致。

值得注意的是，如果粒徑分布已知，擴散率分布或特征頻率分布會與激光波長、偏振態(tài)和散射角度密切相關。因此對于給定的樣品，測得的平均粒徑IDi_s和多分散指數(shù)PI將與這些量有關。

現(xiàn)在已有幾種不同的結果評價算法，但對于同一樣品這些算法常會給出不同的結果。因此，在給出結果的同時報告所使用的算法及測量中的設定或選擇項很關鍵。9.2對現(xiàn)有足夠標準化的算法進行了歸納總結，附錄A提供了更多的的理論背景知識，參考文獻［7］則給出了簡要概述。

9.2相關分析9.2.1累積量法

累積量法將多指數(shù)衰減分布簡化為指數(shù)衰減，并將指數(shù)衰減用多項式展開擬合。作為描述顆粒粒徑分布的兩個重要參數(shù)，平均粒徑^和多分散指數(shù)H就是由“累積量法”計算得到的。

采用累積量法由相關函數(shù)計算和PI時，可選取梯度法、高斯-牛頓法或利文貝格-馬克拉特法對自相關函數(shù)進行非線性最小二乘擬合，也可對每個數(shù)據(jù)點進行適當?shù)慕y(tǒng)計加權后，采用線性最小二乘法對相關函數(shù)進行對數(shù)擬合。盡管相關器各通道的計數(shù)統(tǒng)計誤差并不顯著，但并非所有數(shù)據(jù)點都同等重要。累積法獲得的平均值和多分散指數(shù)為光強加權結果。

9.2.2粒徑分布的算法

在以下算法中，通過對相關函數(shù)進行多項式擬合計算顆粒懸浮液或分子溶液中擴散函數(shù)分布，計算結果為粒徑分布。若需要的話，也可從粒徑分布中得到平均粒徑。

9.2.2.1非負最小二乘法

非負最小二乘法采用代數(shù)的方法對相關函數(shù)的指數(shù)衰減進行擬合。在該算法中有多個參數(shù)，其中最基本的兩個參數(shù)為“加權方式”和“a參數(shù)”或“正則項”。在DLS算法中加權的使用可放大某些細微的變化，進而得到更強的、高于基線噪聲的相關系數(shù)。若不使用數(shù)據(jù)加權，基線噪聲則會導致出現(xiàn)假峰和對數(shù)據(jù)的錯誤解讀。

基于非負最小二乘法的DLS算法中，正則項或a參數(shù)決定了所得分布中“尖銳度”的可接受程度。通過拉普拉斯逆變換可將本征函數(shù)簡化為線性組合，從而實現(xiàn)對DLS測量相關函數(shù)的反卷積。但需要提示的是，當本征函數(shù)較小時，即使非常小的噪聲也會導致方程多解，因此DLS被貼上不適定問題標簽。為克服這一問題，在本征函數(shù)中加人了一個約束項，并以分布解的一階導數(shù)形式表示。

a參數(shù)為這個約束項的乘積因子并對解的導數(shù)進行了定量放大。若a值較大（0.1），會對解的“尖銳度”產(chǎn)生限定，進而會產(chǎn)生平滑的分布。若a值較?。?.00001），則會降低一階導數(shù)的權重或顯著性，進而會產(chǎn)生較為尖銳的分布。因此，a參數(shù)可被認為是相關函數(shù)測量中噪聲預期水平的粗略評估量。最佳值取決于被測樣品，所以并沒有理想的或最好的a參數(shù)。對于窄分布（多分散性低）混合樣品和具有強散射的顆粒，降低a值有時可提升光強加權粒度分布的分辨力。

9.2.2.2歸一化算法

歸一化算法將強制正則化非負最小二乘法技術和本征函數(shù)分析技術相結合，可得到方程的平滑解并降低自由度。該算法生成多個解，選擇其中尾分布最小的與數(shù)據(jù)一致的解。該算法可分辨最小相差2倍的衰減率。

由于用戶需明確數(shù)個制約項，所以需事先了解預期分布，例如預期分布的范圍及數(shù)據(jù)點數(shù)目?；贔-檢驗和置信度，可對正則化參數(shù)進行自動選取。

9.2.2.3直方圖法

直方圖法為一種迭代方法，其中對初始擴散系數(shù)r（r=De72）進行重復處理直至給出最終的解。在這一分析過程中，初始擴散系數(shù)r為高度相同的直方圖，通過計算不斷改變直方圖直至與原始數(shù)據(jù)擬合。

直方圖法具有步長數(shù)m這一變量的優(yōu)點。因此，當數(shù)據(jù)的精確性變差，可相應減少m。G（r,）的初始值及表明直方圖范圍開始、結束的r_、rmax的初始值將變得不重要。當誤差限在測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計誤差范圍內時，該擬合程序就會停止。該方法得到的粒徑分布通常較寬且會有連通峰。

9.2.2.4其他算法

還有其他多種基于NNLS的分析算法或程序，包括正則化的正指數(shù)加和「41的L曲線法E1213］和其他技術［15_16\通常而言，為實現(xiàn)對給定設備和樣品的最優(yōu)化，這兩類算法的差異在于NNLS分析中對變量的最優(yōu)化技術（例如，正則矩陣或a參數(shù)及所用的加權方式）。

9.3頻率分析

在頻率分析中以一定間隔和某一頻率（允許對所需最高頻率的分析）下采集來自檢測器的信號。之后采集信號由快速傅里葉變化技術（FFT）轉換為頻率能量譜。

通過使用預先設定的粒徑和頻率通道，對能量譜實驗數(shù)據(jù)進行迭代擬合而獲得完整的顆粒粒徑分布是該算法的基礎。例如.1nm~6500nm粒徑范圍需要一個通道數(shù)為16K的線性能量譜。之后，將16K的線性通道轉換為80個具有一定寬度的對數(shù)通道。粒徑通道用相同數(shù)列方式進行表示，從這一分布中可計算得到平均粒徑、PI和其他參量：

一步驟1:采用對數(shù)數(shù)列方式對粒徑通道（1?N）進行定義。采用相同的對數(shù)數(shù)列方式對頻率通道（1?N）進行定義，并將所測的線性能量譜轉換為對數(shù)通道。

步驟2:使用公式（A.25）計算N個頻率通道的響應并得到初步的粒徑分布（partclesizedistribution.PSD）近似結果。

一步驟3:將響應的計算值與測量值進行比較，對粒徑分布近似值進行修正。

重復步驟1?3,直至響應的計算值與測量值間的誤差達到最小，從而得到最佳的粒徑分布擬合值。一般而言，在1nm?6500nm范圍內需用到80個粒徑通道。迭代解法使粒徑分布完全符合ISO9276（所有部分），且所有粒徑通道具有相同的散射強度加權。

10系統(tǒng)確認和質量控制

10.1系統(tǒng)確認

由于DLS是基于第一性原理的一種粒徑測量絕對方法，因此不需使用粒徑校準品對儀器的粒徑標尺進行校準。為獲得可溯源至SI單位的結果，宜使用具有溯源性的設備對儀器或測試的眾多參數(shù)進行測量（如用戶對溫度進行測量，制造廠商對激光波長和散射角進行測量）。除此之外，儀器的首次安裝及在此后的時間間隔或有疑問時，宜使用具有標準值的懸浮顆粒標準物質對儀器性能進行檢定。

因此，儀器的首次安裝及在此后的定期間隔內，可使用具有標準值的懸浮顆粒標準物質對儀器性能進行確認。

系統(tǒng)確認失敗可能是由顆粒懸浮液、樣品制備或儀器自身而引起的。

宜使用采用相同算法為DLS賦值的有證標準物質，理想情況下顆粒的化學組分、形態(tài)應與被測樣品盡量一致。

或者，可使用具有窄分布，如CV（標準偏差/平均粒徑）值為5%、采用DLS或電子顯微鏡對平均粒徑定值的聚苯乙烯乳膠懸浮液標準物質。

為評估潛在的偏差，宜將CRM平均值的不確定度結合測量不確定度的允許誤差，并乘以2得到擴展不確定度。標準值和5次測量平均值的絕對差值應小于該擴展不確定度。

對于100nm的懸浮顆粒體系，測量值的允許誤差為1.5%，5次重復測量的標準偏差應優(yōu)于2%.且PI應小于0.1。

例如：對標準值為102nm±3nm（擴展不確定度，々=2）的聚苯乙烯乳膠球CRM重復測量5次，測量平均值和標準偏差分別為105.9nm和1.4nm。按照如下程序核查測量偏差和精密度:26::

1） 通過除以擴展因子M證書中闡明），將CRM的擴展不確定度轉換為標準不確定度=3nm/2=1.5nm；

2） 計算測量平均值不確定度的允許誤差，由于測量結果值接近100nm，因此計算中使用1.5%作為允許誤差u/meas=1.5%X105.9nm=1.6nm；

3） 將步驟1和2中的結果的二次方進行合成，擴展因子k為2,得到擴展不確定度U：

U=2-Jucrm+uLas=2a/1.52+1.62=4.4nm

4） 測量結果和標準值的差為105.9nm-102nm=3.9nm。由于該差值小于擴展不確定度U，因此測量滿足對偏差的檢驗。

5） 5次測量的相對標準偏差為1.3%，小于2%的要求。

10.2測量結果的質量控制

10.2.1有效的測量結果應滿足如下條件：

a） 粒徑分布的結果與延遲時間的范圍無關，只要該范圍的最小值能涵蓋延遲時間的設定范圍即可；

b） 粒徑分布的峰位置與所選顆粒粒徑范圍無關；

c） 在選定的粒徑范圍內無異乎尋常的峰出現(xiàn)；

d） 合理且符合顆粒的物理和化學性質；

e） 與其他粒徑測量技術的比較結果合理。

10.2.2對于基于自相關分析的測量，相關函數(shù)截距的最大值可采用如下方式確定。

a） 盡可能選用一個Bmax已知的聚光孔；

b） 選用濃度可滿足7.3中c）與d）的要求，至少兩種不同濃度的聚苯乙烯乳膠懸浮液（粒徑約為

100nm）測量截距B（見附錄A）；

如果截距B與顆粒濃度呈系統(tǒng)相關，可將結果外推至無限稀釋。

10.3方法精密度和測量不確定度

所能達到的精密度與樣品性質和運算方法密切相關。通常，均勻且單分散樣品的測量結果要比寬分布樣品的結果具有更低的標準偏差。

重復性：對于粒徑在50nm?200nm的單分散樣品，平均值jcdls的相對標準偏差宜優(yōu)于2%。注：即便是在同一實驗室，不同運行期間、不同操作人員、不同儀器、不同實驗地點等都會造成額外的數(shù)據(jù)變動性。 再現(xiàn)性：對于粒徑在50nm?200nm的單分散樣品，實驗室間標準偏差宜不大于5%。一真實性：DLS法所得結果取決于多種因素，包括散射角度及運算方法，因此多分散樣品的測量結果應是特定于所用儀器和運算裝置的。而對于單分散的球形顆粒樣品，可估計出真實性對測量不確定度貢獻的下限［17］。

每個測量結果的不確定度宜至少包括重復性和重現(xiàn)性的貢獻。

11測試報告

測試報告應至少包含如下信息［k）?r），源自ISO/IEC17025］：

a） 平均粒徑及不確定度。

b） 樣品多分散性的指標（如多分散指數(shù)PI）。

c） 獨立測量次數(shù)及基于此測量的平均值。

d） 假如IDES和PI的平均值與濃度相關，給出外推至無限稀釋時的數(shù)值或最低濃度時測得的數(shù)值。

e） 完整的樣品識別信息，包括顆粒的形狀和均勻性的詳細信息。

f） 實驗室或其他機構采用的、與測量結果有效性及應用相關的參照取樣計劃及程序方法；

g） 所用的運算方法，若該算法在本文件范圍內，則應參照本文件。與此同時，需闡述平均值的類型（算數(shù)、幾何或加權平均、中值和峰值）、坐標類型（線性或對數(shù)）和所包含的顆粒粒徑范圍。

h） 懸浮條件：

一分散液及其過濾過程（如可獲?。?

——顆粒濃度（若已知）；

——分散劑及其濃度；

一分散過程，包括超聲條件：時間、頻率和輸人功率（如可獲?。?；

——懸浮液體的黏度和折射率。

i） 測量條件：

一實際濃度（若已知）；

測^量時長;

一樣品溫度。

j） 所有未在本文件中說明的操作細節(jié)，或與實驗條件一起對結果會有影響的可選項。

k） 標題（例如/‘測試報告”）。

l） 實驗室名稱和地址，若實驗進行地點與實驗室地址不同，需注明實驗進行地點。

m） 測試報告的唯一性標識（例如：序列號），報告頁的標識從而確保每一頁都是測試報告的一部分，以及測試報告結尾的明確標識。

n） 客戶的名稱和地址。

o） 對測試項目描述、條件和明確標識。

P）測試項目的接收日期，其對結果的有效性和應用至關重要，以及開展性能測試的日期。

q） 測試報告授權人的姓名、職責、簽字或其他等效識別方式。

r） 在相關的情況下，聲明結果僅與測試或校準的項目有關。

s） 無需將所有與評估和測量相關的參數(shù)全都添加到測試報告中。

附錄A

(資料性)

理論背景

A.1相關函數(shù)分析

A.1.1自相關與互相關

在典型的DLS實驗中，一束狹窄的單色相干光源即單一波長A。的激光光束照射到被測懸浮液，在相對人射光0角處相干測量分散顆粒的散射光。由于分散顆粒連續(xù)地做布朗運動，觀察到的散射光強度1(<)將隨時間而漲落，因此分析散射光強度隨時間漲落的規(guī)律可提供分散顆粒的運動信息，在相關分析中，由相關器來完成時間分析，相關器構建了散射光強度的時間自相關函數(shù)G(2>(r)，如公式(A.1)所示：

G(2>(r)=〈W)?W+/)〉 (A.1)

該相關函數(shù)只依賴于時間差r，而與G,2>(r)的任意起始測量時間t無關，符號〈…〉表示對于不同時間t內，1(<)?IG+r)乘積的平均值。圖A.1為自相關函數(shù)的一個示例。

0 1000 2000 3000 4000 5000 :

說明：

A——基線；

G<2，(r)——自相關函數(shù)，任意單位；

T 相關時間，單位是微秒(piS)。

圖A.1自相關函數(shù)(歸一化)

在互相關中，兩束單色相干激光光束聚焦到樣品上，在樣品內兩束光相交，重疊部分為測量體積。兩個檢測器檢測到某一散射角的顆粒散射光。因此，在同一測量體積中可以進行兩個獨立的散射光測量，從而降低多重光散射效應對測量結果的影響。

目前互相關有幾種不同的結構，例如使用不同散射角、使用不同波長的激光等。只要散射矢量相同，就可用相同的方式進行評價。測得的互相關函數(shù)看起來與圖A.1的自相關函數(shù)相似。

對于在測量體積V中做布朗運動的大量單分散顆粒.G,2>(r)本質上是時間差r的指數(shù)衰減函數(shù)：

G(2)(r)=A[l+Bexp(-2IV)] (A.2)

式中：

A——理論上是與時間無關的常數(shù)，與散射光強度時間平均值〈/〉的平方成正比，在本文件中稱為

基線；

B——稱為儀器因子，且＜1，(在本文件中表示自相關函數(shù)的截距值)。

衰減率r與做布朗運動的各向同性球狀顆粒的平動擴散系數(shù)1^有關，可由公式(A.3)求出:

r^DTq2 (A.3)

其中q是散射矢量模值，如公式(A.4)所示：

4-7CTI

? sin(0/2) (A.4)

入0

散射矢量7被定義為人射波矢量^1與散射波矢量I的矢量差：7 ~ks,k1和的模值都等于

2?rn/A。，其中n為分散介質的折射率。

注意：在DLS方法中，所測量為擴散系數(shù)D而非顆粒粒徑，后者只能從與顆粒粒徑相關的擴散系數(shù)中得到。若不存在相互作用力，球形顆粒分散在黏度為7；的介質中，顆粒直徑與擴散系數(shù)0,的關系可用斯托克斯-愛因斯坦方程表示，如式(A.5)所示：

3-KTjJ：

式中：

k——玻爾茲曼常數(shù)；

T——絕對溫度。

本文件列出的對顆粒濃度的測量條件可避免或最大程度地減小測量體積內顆粒數(shù)量波動、多重散射和顆粒間相互作用造成的偏差。為避免顆粒數(shù)目的波動而引起的偏差，本文件要求在測量體積中至少要有1000個顆粒。

至少1000個顆粒的準則僅對單分散顆粒樣品成立，而對于多分散樣品，在測量體積中則需有更多數(shù)量的粒徑小于1:^的顆粒。

理論上，盡管上述公式僅限于對均勻球形顆粒的測量，但對于非球形、不均一且存在平動和旋轉擴散過程的顆粒體系，也可用這些公式來測量和分析。在此情況下，公式(A.1)?公式(A.3)及公

式(A.14)中定義的是表觀等效球直徑。

對于實際的多分散的樣品，公式(A.2)可寫成公式(A.6)：

G(2)(r)=A[1+B|g⑴(r)|2] (A.6)

其中，自相關函數(shù)g(1)(r)的模與歸一化的分布函數(shù)衰減率C(r)有關，可寫作公式(A.7)：

g(1)(r)=pc(r)exp(—rr)dr (A.7)

J0

且：

roo

c(r)dr=i (a.8)

J0

在公式(a.8)中，c(r)dr與在衰減率介于r至r+dr范圍內的顆粒散射強度百分數(shù)成正比。下述幾種多分散性可能引起衰減率分布：

a)粒徑的多分散性，即所有顆粒的形狀及組分(如均質各向同性的球)相同，但線性尺度不同；

b)形狀的多分散性，即顆粒的形狀不同，如球狀、盤狀和棒狀的混合物，但體積粒徑和組分相同；

C)非均質和各向異性的物質，即顆粒材質不同，例如：均質球和多層球的混合物；

d)上述幾種多分散性的可能的組合。

應用DLS法測量顆粒粒徑時，假設只存在第一種多分散性。

在本文件中，衰減率的分布由兩個參數(shù)來表征：

a)平均衰減率，由公式(A.9)定義：

r=P°rc(r)dr (A.9)

J0

b)無量綱的多分散指數(shù)PI，即分布寬度的度量，由公式(A.10)定義:

(A.10)

其中；/2可采用公式(A.11)計算得到

(r-r)2c(r)dr

(A.ll)

若衰減率服從平均衰減率為f，標準偏差為a的高斯分布，高斯分布如式(A.12)所示:

C(D=—-——exp(7J2tv

PI與F和＜7相關，如公式(A.13)所示：

(r一尸)2

2^2

(A.12)

PI

P2

r2

2r2

(A.13)

由于斯托克斯-愛因斯坦直徑與衰減率成反比，見式(A.3)和式(A.5),所以本文件中可采用式(A.9)定義DLS平均粒徑ZDLS：見式(A.14):

=——「—C[r(je)]d(—) (A.14)

?TdlsJ0工 1

在式(A.14)中，C[r(jc)]d(l/rc)代表了直徑范圍在和jc+cLr之間的顆粒散射光強度分數(shù)，式(A.14)中對DLS平均粒徑的定義為調諧散射光強平均粒徑。

注意：通常，此平均粒徑不同于且大于重量-平均粒徑，與此同時，它也與(小角)激光散射或衍射所測得的平均粒徑不同。

亦請注意，給定粒徑分布時，c(r)與激光波長、偏振狀態(tài)和散射角0相關[見公式(A.3)和公式(A.4)]，因此對于給定樣品，:^:^及PI與上述因素相關。對于顆粒直徑小于30nm的粒徑分布，

Idu及PI對激光波長(及散射角)的相關性并不顯著。

A.1.2累積量法

在累積量法中，在expC-Fr)附近展開式(A.7)中的因子exp(-rr),得到延遲時間的多項式。在二階項截取該多項式，則式(A.6)可用式(A.15)近似表示：

G(2)(r)A[1十Bexp(—2IV+"2r2)] (A.15)

該式是測量平均衰減率f和；z2的理論基礎，也即測量平均粒徑:^^和PI的基礎。為了得到線性回歸方程，可將式(A.15)轉換為式(A.16)：

(r)= [G2(r)—A]=+lnAB—IV+*y-r2 (A.16)

或式(A.17)：

3；(r；)=aoaiTj+<22rJ(j=1,2,3,?"?m) (A.17)

式中：

；——相關器的延遲通道數(shù)。

可用兩種方法測定基線A:實驗中總持續(xù)時間內測得到的光子計數(shù)的總和，或者當延遲時間r?25/f時對G2(r)的估算值。建議采用上述兩種方法對基線A進行測量，并保留兩者中的最大值。但是，當基線的兩種估算值之間的相對差值大于最小值的10_3倍時，則測量無效并作進一步分析。

對于力=y(r：)所保留的數(shù)值范圍應對應于[G2(n)—A]〉[G2(r,)—A]>{:G^rJ-A]/100}，其中至少有一個值要小于{:G^r^-AZ/SO},在[G2(t,)—A]范圍內的所有值必須為正值，否則測量無效作進一步分析。

最后需要說明的是，在可以接受的范圍內，y,值的個數(shù)爪至少應為20。

(A.18)

用最小二乘法擬合式(A.15)確定的實驗數(shù)據(jù)j/(r7)獲得參數(shù)a。、^、a2的量值，從而使式(A.18)最小化：

5(a0,<21,a2)=^2Wj(力一a0—a!r+a2rj)2;=i

在式(A.18)中，歸一化的權重因子w,把原始數(shù)據(jù)G2非線性轉換為yCrJ)o

由式(A.19)的計算得到平均粒徑7Dls:

(A.19)

(A.20)

(A.21)

1kTsin(^/2) 2

L_A；_

式中：

k——玻爾茲曼常數(shù)；

T——絕對溫度；

7——分散介質的黏度度；

n 分散介質的折射率；

9 散射角；

Ao 真空中激光波長。

多分散指數(shù)H與a3和a2相關，由式(A.20)計算：

PI=2a2/a[

實際的截距B由式(A.21)通過a。和A得出：

B=[exp(2a0)]/A

并與給定實驗條件下求得的最大值Bmax比較，若B與Bmax的比值B/Bmax<0.8,則測量作廢。方差可由式(A.22)表東:

s/(m一4) (A.22)

式中：

s——通過式(A.18)計算擬合的目標函數(shù)；

m 測量次數(shù)。

方差可作為擬合度好壞的判據(jù)。對于單分散的球形顆粒，方差宜不小于0.8。對于其他類型的顆粒樣品并無通用的判定規(guī)則，但方差宜應滿足目標要求。

A.2頻率分析

在頻率分析模式中，光電檢測器收集的散射光首先由數(shù)字快速傅里葉變換(FFT)技術處理。FFT計算出光電檢測器探測的光強信號的功率譜。對單分散系統(tǒng)，在外差模式下功率譜P(co)的形式由式(A.23)給出(見參考文獻：18],5.4)：

2a)a

P(w)=IR<Is> 0 (A.23)

+(WO)Z

式中：

JR 多考尤5蟲;

Is——散射強度；

wo——特征頻率；

W 角頻率。

在零差模式，功率譜的振幅與散射強度的平方<Is>2成正比，散射強度與樣品濃度成正比。在此模式下，假設沒有未散射的主光束與散射光混合，檢測器處滿足條件Io?<Is>，從而確保沒有外差混人和耀斑的純零差模式，同時，也假設檢測器無噪聲，測量池或光學部件無耀斑或散射。

在外差模式，人射激光的部分光束(參考光束)與探測的散射光相混合。外差模式的功率譜中總有一個零差模式的成分。為了實現(xiàn)純外差的功率譜，零差成分應遠遠小于外差成分。若J%〉〉〈IS〉，則能滿足此條件。在濃度較高時，〈js〉也很高，要留心觀察以確保滿足Zo?<Is>?；旌夏Ｊ綍r功率譜有不同特征頻率，外差模式為coo，內差模式為2w。。

特征頻率<0。與粒徑X、溫度T、激光波長A。、散射角度L介質黏度V有關，代表了光譜的半寬，如式(A.24)所示。

1 ttA

^0=-^rF-sm2(0/2) (A.24)

說明：

A 振幅，任意單位；

f——頻率，單位為赫茲(Hz)。

圖A.2外差模式下不同顆粒粒徑的功率譜

測得的響應矢量了是由洛倫茲矩陣L和體積加權顆粒粒度分布矢量t的乘積［見式(A.25)］，粒徑的分布是單個顆粒粒徑響應的加權和。

7=L?7 (A.25)

由于功率譜的病態(tài)洛倫茲形態(tài)，式(A.25)反演得到的顆粒粒度分布了會有所不同。

在多分散體系中，歸一化的功率譜與外差模式中特征頻率分布有關，用式(A.26)表示：

2a)oP(a))dcu=I0(Is〉 dcu (A.26)

⑴ +o>o

基于式(A.27)和式(A.28)，可將頻率坐標由線性轉換為對數(shù)，得到式(A.29):

x=ln(o>) (A.27)

Xq=ln(co0) (A.28)

=Io<Is>戶i。)上-(?。)如 (A.29)

在對數(shù)坐標中，響應矩陣是平移不變的。單顆粒的響應是等效的，只沿對數(shù)頻率軸移動。對于顆粒粒度分布，依賴于粒徑組分對功率譜的貢獻、與顆粒半徑的六次冪成正比散射強度加權效應和噪聲，每個對數(shù)坐標頻率通道將具有不同的振幅。圖A.3給出三種不同粒徑的響應函數(shù)，在對數(shù)特征頻率co。

處，該函數(shù)具有峰值。式(A.25)表示的矩陣成為只的卷積，因此響應函數(shù)可用式(A.30)表示：

r?= (?!'?,—?!'?)v(?!',,) (A.30)

對數(shù)功率譜

圖A.3功率譜的對數(shù)坐標

對數(shù)坐標功率譜［式(A.30)］的反演比式(A.25)的反演大大簡化，并且可以通過線性迭代技術來完成。

附錄B

（資料性）

測量過程的潛在影響因素及減小影響的指南

B.1概述

影響DLS結果的因素有多種，本附錄對其中幾種因素及如何減小其影響進行了總結，以獲取有效測量結果。

B.2高濃度分散體系的測量

B.2.1通則

對于未知樣品，無法預計對顆粒表觀粒度產(chǎn)生影響的起始濃度。因此建議在不同數(shù)量級的濃度范圍內進行系列測量。在濃度較高時，多重光散射、粒度間的相互作用以及其他因素（例如：非幾何球面）可能會影響測量結果。在這種情況下，為了得到無偏差的粒徑結果，需將表觀測量結果外推至最低濃度時測得的數(shù)值。對于特定的材料-分散劑體系，需采用質量程序確定允許使用的最高濃度。這也就意味使用給定儀器對給定類型樣品進行測量時，需執(zhí)行確認程序。在稀釋樣品時，需注意其粒度可能會因樣品的化學變化或雙電層厚度的變化而發(fā)生改變。某一固定濃度下的通過斯托克斯-愛因斯坦方程計算得到的表觀粒度可用于質量控制，盡管該表觀粒度與正確稀釋濃度下所測結果會有差異。

為避免顆粒間相互作用及多重散射的影響，推薦在幾種不同濃度下開展測量，若粒度隨濃度變化呈規(guī)則的相關性變化.應取無限稀釋濃度吋的粒徑。

B.2.2多重散射

DLS分析中假設僅收集顆粒的一次散射光。在高濃度樣品中，某一顆粒的散射光在到達檢測器前有可能被其他顆粒再次散射。這就意味著附加相位因素會增強或拓寬光強波動譜。在這種情形下，顆粒似乎移動得更快，導致粒徑測量結果降低。

可采用以下幾種方式減小多重散射光的影響。

一種方式是采用可縮短出人樣品光程的光學系統(tǒng)。目前，包括使用背散射光學系統(tǒng)在內的多種方法都可以縮短樣品中的光程。背散射光學系統(tǒng)能使光路可設計得很短。樣品即使在長光程下光學上不透明，短光程內的多重散射也可忽略不計。

另一種方式是采用互相關方法。從理論上該方法可以消除多重散射的影響，但事實上，只是將多重散射效應最小化了而沒有消除。當無法觀察到分散材料的一次散射光時，就達到樣品濃度上限。與背散射光學系統(tǒng)類似通過縮短光程也可以提高樣品濃度。

B.2.3顆粒間相互作用

在將擴散系數(shù)轉換成流體動力學直徑的公式中假設了每個顆粒的運動不受其他顆粒的影響。在低樣品濃度下，該條件通常能滿足。但對于高樣品濃度，DLS測得的直徑將與正確的顆粒粒徑不一致。若結果出現(xiàn)分散度大、多峰和表觀粒徑大，則表明存在顯著顆粒間相互作用。

對于高濃度樣品，DLS測得的是大量顆粒的整體擴散系數(shù)而非單個顆粒的擴散系數(shù)。根據(jù)粒徑、濃度、散射角和激光波長，可對這兩種擴散系數(shù)進行區(qū)分。顆粒間的平均間距A，與散射向量模數(shù)的倒數(shù)（T1之比，將決定會發(fā)生下列哪種情況（見圖B.1）。

若q /2k.DLS可探測到眾多顆粒中單個顆粒的自擴散。

若q-'〉h/h探測到的是顆粒的整體擴散系數(shù)。

oOoO—-1

o%O%°

r1

標引序號說明：

1——自擴散：

2——整體擴散。

圖B.1顆粒間的平均間距與散射矢量模數(shù)的倒數(shù)之比的影響

這兩種模式可以通過不同的擴散系數(shù)描述，分別被稱為自擴散系數(shù)Ds和整體擴散系數(shù)Dc。兩個擴散系數(shù)均受濃度影響，但方式不同。

因此，在低濃度樣品中可觀測到顆粒的自擴散。但當顆粒濃度增加和/或對于較大的顆粒，顆粒中心之間的平均距離小于散射向量，觀測到的將是顆粒的整體擴散而非自擴散。

因此，采用斯托克斯-愛因斯坦方程，由擴散系數(shù)計算得到的顆粒表觀粒度隨顆粒濃度的變化而改變。

注意：上述論述，尤其是平動擴散系數(shù)的斯托克斯-愛因斯坦方程，均只適于球形顆粒。對于非球形顆粒，所測得的擴散系數(shù)為平動和轉動擴散系數(shù)的疊加。

顆粒間相互作用對所測顆粒的擴散有著重要的影響。相互作用有幾種類型：水力阻尼、顆粒表面電勢產(chǎn)生的靜電斥力及范德華引力，且可能同時存在。由于顆粒相互作用的存在，測量的擴散系數(shù)不再是單個顆粒的行為，而是整體顆粒懸浮液的行為。

也可通過對不同稀釋倍數(shù)樣品的測量，判定多重散射是否發(fā)生。

顆粒間相互作用效應的出現(xiàn)是系統(tǒng)特定的：在低濃度樣品中長程作用力的影響顯著，粒子在高濃度下不受阻礙地擴散只會在極少數(shù)情況下出現(xiàn)。不管怎樣，對于每一個顆粒/液體體系，會存在顆粒間相互作用變得顯著的濃度范圍，為獲得正確的顆粒粒徑結果需對樣品進行稀釋。

B.2.4受限擴散

受限擴散是指其他顆粒的出現(xiàn)阻礙顆粒自由擴散的現(xiàn)象。典型的例子是顆粒在一種聚合物網(wǎng)絡結構內的擴散。征兆包括：粒徑大小發(fā)生變化而形態(tài)或分散性沒有改變、在高濃度或在與平均粒徑（與利用樣品整體黏度下計算得到的粒徑相同）呈相關的某一濃度下，利用介質黏度計算平均粒徑會導致粒徑變大。

B.3沉降

為得到有效的DLS結果，顆粒沉降速率宜遠小于擴散速率，從相關曲線圖可判定是否滿足此條件。若是隨機的布朗運動，該曲線應呈現(xiàn)單調衰減。若相關函數(shù)多次出現(xiàn)增大，則預示著有非隨機運動即沉降的發(fā)生。

相關函數(shù)幅值的穩(wěn)定性也可預示樣品的分散穩(wěn)定性。

B.4數(shù)量波動

測量體積內的顆粒數(shù)量通常是恒定的，但測量大顆?；虻蜐舛葮悠窌r可不受此限制。若在相關曲線圖中截距值〉1和較長時間段內相關函數(shù)的增大則表明自相關裝置內發(fā)生顆粒數(shù)量波動（其他測量裝置產(chǎn)生的波動可能與此不同）。

B.5大顆粒/灰塵

如果在較短時間內（例如0.1s間隔）記錄到的時間平均散射信號（計數(shù)率）出現(xiàn)大幅波動，并伴有高計數(shù)率值的脈沖，表明可能存在大顆粒。這可能由樣品中大顆粒的沉降或污染的灰塵引起。光束中出現(xiàn)閃爍也通常表明樣品中存在大顆粒。若大顆粒源于灰塵污染，則使用液體前應進一步清潔（經(jīng)過濾和/或蒸餾）。若確定這些大顆粒是原始樣品本身的一部分，那么用戶可選擇接受因寬粒徑分布導致的低精確度測試結果、過濾沉淀樣品或沉淀后取上清懸浮液測試。在測試報告中宜對所有的樣品處理進行描述。

B.6不同的擴散模式

非球形顆粒的轉動和平動兩個擴散分量會對散射強度波動產(chǎn)生影響，兩者的比例取決于觀察的角度。所測得的流體動力學直徑取決于這些因素。

B.7熒光

熒光顆粒會吸收部分人射光并產(chǎn)生波長更長的激發(fā)光。若激發(fā)光在接收器的帶寬范圍內，則會使得非相關信號增大?？蛇x擇窄帶寬的濾光片減少此影響。

附錄C

（資料性）

在線測量

理論上講，DLS的樣品要求是靜態(tài)的。流動的液體會使顆粒具有額外的運動，因此會對所測的表觀擴散系數(shù)造成更大影響。盡管存在這一原則性問題，已有一些商用的在線DLS儀器，且實踐表明該設備可提供有效的數(shù)據(jù)。當使用在線系統(tǒng)時，需要考慮以下幾個問題：

一液體的總體流動性對大顆粒影響最為顯著，原因是它們的相關函數(shù)衰減較慢，進而受其他運動的影響最大。因此液體流動將會影響儀器的粒徑測量上限。

一由于湍流或靠近樣品池壁情況下的亂流都可能導致無法計算得到液體流動的影響。

一偏離穩(wěn)定狀態(tài)的情況下［例如在流動場分級法（FFF）所觀察到的對顆粒數(shù)目的改變］，較少顆粒數(shù)目（例如，在FFF信號中強度峰的邊緣附近）測得的結果比較多顆粒數(shù)目（例如，F(xiàn)FF峰的中心附近）測得的結果可靠性低。

一在偏離穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，顆粒濃度的改變也會產(chǎn)生影響。

一在多分散樣品中顆粒運動造成的問題會更加嚴重。

一樣品常被高度稀釋，因此對弱散射體的測量就會受到影響。

上述潛在影響要求用戶能夠對在線系統(tǒng)測量某一材質樣品的粒徑和濃度范圍的有效性進行仔細驗證，以證明結果的準確性。在這種情況下，強烈建議將在線系統(tǒng)與靜態(tài)系統(tǒng)的結果進行比對。

附錄D

（資料性）

樣品制備的推薦程序

D.1概述

樣品制備包括以下三部分:分散介質的凈化、樣品池的清潔、溶液/懸浮液的制備。本附錄以不同的詳略描述了前兩部分，最后一部分取決于樣品顆粒的類型，在本附錄中給出了樣品制備的一般原則，較為詳細地描述了懸浮在水中的聚苯乙烯乳膠顆粒懸浮液的樣品制備方法。

灰塵是影響DLS測量的主要因素之一，灰塵是對能產(chǎn)生信號的任何不良的大的散射物質的總稱。灰塵的存在將使顆粒平均粒徑的測量結果產(chǎn)生嚴重的偏移。

灰塵可用以下三種方法去除：過濾法、蒸餾法和離心法。過濾是最容易的方法，可借助于一次性過濾器，也可以通過多次過濾有效地去除灰塵。然而，若要去除離子和微量雜質，可采用蒸餾法。若不能采用過濾法（例如，由于顆粒與濾膜存在相互作用）則可采用離心法去除灰塵。在這種情況下，離心結束后需將上清液轉移到測量池內。

本文件介紹幾種凈化分散介質的方法。需根據(jù)各自用途選用最適用的方法?？上仍囈环N最簡單的方法。當然，也可選用不引人灰塵、且對分散顆粒不產(chǎn)生影響的其他方法。

D.2過濾

D.2.1水介質

對小批量樣品過濾時，可用一個連有直徑25mm、孔徑0.2pm—次性過濾器的20mL注射器。選擇配有鎖定接頭的注射器。若實際中需用針頭，選用大口徑的針頭（規(guī)格18）。經(jīng)由較細針頭噴出而產(chǎn)生的霧化水具有較大表面積可吸人空氣中的灰塵，因此應緩慢過濾而勿將其霧化。

為除去可能阻塞過濾器的大顆粒，需對注射器和針頭進行清洗處理。盡可使用沒有粘結劑殘留（通常為聚合物涂層）的過濾器，否則殘留物將會混人被過濾的介質中，使用前需對過濾器進行多次沖洗以去除上述殘留物。若液體的顆粒污染嚴重，可考慮先使用大孔過濾器，這樣可以延長小孔過濾器的使用壽命。

若要對大批量液體進行過濾，使用孔徑為0.2Mm、直徑為47mm或更大直徑的過濾器，并可將過濾器直接接到水龍頭上。為除去過濾器中的顆粒需先過濾至少20mL水，盡管會減少過濾器的使用壽命，但該步驟可沖洗掉過濾器表面上的殘留物。為避免接觸大面積的容器，將過濾后的水直接滴人樣品池或稀釋瓶中。

D.2.2有機介質

若介質與過濾器的塑料外殼及材質是相容的，則可使用D.2.1中過濾水的步驟，否則把外殼換成不銹鋼材料，且濾材應與稀釋介質相容，可從過濾器產(chǎn)商得到溶劑與過濾器材料的兼容信息。

若要過濾少批量液體，可使用直徑為13mm或25mm的不銹鋼外殼過濾器，且使用玻璃注射器與過濾器相連接。確保選用的0形環(huán)不會被溶解，并用光滑的鑷子攝取濾膜以避免刺穿。

D.3純化

D.3.1水介質

殘留的金屬離子可能會影響顆粒散射體的化學性質和相互作用，離子可能會利于樣品的穩(wěn)定，但也會引起凝聚。散射體形狀的改變會影響擴散系數(shù)，從而影響DLS測量結果。

可選用商用的純化水系統(tǒng)，該系統(tǒng)都含有可更換的過濾筒，可去除離子，吸附有機物質，并可過濾直徑大于0.2 的顆粒。這些純化系統(tǒng)方便、安全并且便于維護。

作為一種替代方法.可將離子交換柱與燒瓶/冷凝器相連接.隨后再連接一個收集瓶和0.2 孔徑

的過濾器。

除了離子交換柱的進口及冷卻水進出口可用PVC管外，其他連接均用聚四氟乙烯（PTFE）材料，所有接頭處都不要涂油脂。

一旦組裝完成，在產(chǎn)生用于制備測試樣品的純水之前，宜先用幾升水沖洗系統(tǒng)。

D.3.2有機介質

處理非極性液體時通常不需要去離子柱，用直徑47mm的PTFE過濾器和合適的過濾系統(tǒng)替換其中的塑料部分，將任何可能接觸溶劑的PVC替換成PTFE材料（第二種選擇是氟橡膠），對易燃溶劑進行蒸溜時應格外注意。

D.4樣品池的清潔

D.4.1概述

樣品池的清潔程度取決于實際需要，最簡單的情況是使用一次性、單獨包裝的清潔樣品池，并用經(jīng)過濾的壓縮空氣吹去樣品池的灰塵。可手握樣品池頂部從而避免在樣品池的光路出人口區(qū)域沾污指印。

D.4.2洗滌劑和水

更嚴格的清潔步驟如下所述：根據(jù)實際情況選用最恰當?shù)那逑闯绦颍走x最簡單的方法。使用純凈水徹底沖洗樣品池。選用無磨損性的洗滌劑清洗樣品池的內外壁。切勿使用刷子，因為幾微米的劃痕會引發(fā)一系列問題，取而代之的應是使勁搖動含有洗滌劑和水的樣品池。

為使得清洗更加徹底，將樣品池放人裝有潔凈清洗液的小型（40W足夠）超聲波浴槽內，超聲幾分鐘，也可以加熱。為了避免劃傷，防止樣品池之間或與容器壁的碰撞。需經(jīng)常更換超聲波內的清洗液。使用純凈水徹底沖洗樣品池。為保持潔凈樣品池的潔凈度，需將樣品池倒置或蓋上蓋子干燥以防止灰塵污染樣品池內壁，或使用經(jīng)HEPA過濾的潔凈工作臺。

D.4.3酸

有時會存在如下情況：樣品吸附在池壁上，洗滌劑和水無法完全去除油脂污點和生物物質。若殘留的過濾水未能均勻干燥或未能均勻地從樣品池內壁成薄層流下，可使用下述清洗方法：

將樣品池在濃硫酸中浸泡1h，并用PTFE包覆的鑷子取出以待下述進一步處理。用純凈水沖洗，在洗滌液中作超聲清洗，用過濾水沖洗多次，蓋上蓋子干燥。

若樣品池自然干燥，乳膠顆粒樣品會在玻璃和石英樣品池中形成一層堅韌的膜，使用濃硫酸可以很有效地將其去除。

D.5溶液/懸浮液的制備

最重要的一條原則就是，用純化后的液體介質沖洗每一個用具（樣品池和蓋子、稀釋瓶和蓋子、移液管或注射器、裝緩沖液和表面活性劑的玻璃器皿等）。用純化和過濾后的液體制備緩沖液和表面活性劑溶液。

使用壓縮空氣吹掃可以充分地去除一次性塑料移液槍頭上的灰塵。但對于玻璃移液槍頭而言僅這樣是不夠的，還需將其密封保存以避免油脂和灰塵的吸附。

在制備樣品的最后階段，為減少再次引人灰塵的可能，要盡量減少所用液體與外界空氣的接觸。為避免與外界空氣的接觸，盡可能地使用直接的液路連接方式。請勿長時間貯存過濾水，貯存水中生長的細菌會產(chǎn)生散射光。若有可能，每天制備少量的新鮮溶液。若不行，則現(xiàn)用現(xiàn)配。

避免將液體噴射到燒瓶或樣品池內，讓液體沿著清潔光滑的一面注人，這樣可以減少再次引人灰塵。

一旦樣品制備好后切勿劇烈搖晃，否則會將混有灰塵的空氣引人樣品中。與所關注的顆粒相比，肉眼不可見的小氣泡可產(chǎn)生更多的散射光。因此最好是輕輕地轉動樣