動(dòng)態(tài)光散射儀測(cè)定乳粒粒徑

1、 動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)動(dòng)態(tài)光散射技術(shù) (Dynamic Light Scattering, DLS) -測(cè)量粒徑及其分布測(cè)量粒徑及其分布湖北大學(xué)湖北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 張張 全全 元元 材料學(xué)院材料學(xué)院8008測(cè)試原理測(cè)試原理運(yùn)算法則運(yùn)算法則樣品要求樣品要求樣品制備樣品制備數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析2主要內(nèi)容主要內(nèi)容什么是動(dòng)態(tài)光散射？什么是動(dòng)態(tài)光散射？l 動(dòng)態(tài)光散射(DLS)，也稱光子相關(guān)光譜(Photon Correlation Spectroscopy, PCS),是指由于散射質(zhì)點(diǎn)不停地做布朗運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒效應(yīng)導(dǎo)致了散射光波長(zhǎng)以入射光波長(zhǎng)為中心展開(kāi)的現(xiàn)象，故又稱準(zhǔn)彈性散射。l

2、布朗運(yùn)動(dòng)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(dòng)。l 動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)是指通過(guò)測(cè)量樣品散射光強(qiáng)度起伏的變化來(lái)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(dòng)使得散射光產(chǎn)生多普勒頻移。3測(cè)試原理測(cè)試原理 粒子的布朗運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致光強(qiáng)的波動(dòng)，動(dòng)態(tài)光散射-測(cè)量光強(qiáng)的波動(dòng)隨時(shí)間的變化； 光子相關(guān)器(Correlator)將光強(qiáng)的波動(dòng)轉(zhuǎn)化為相關(guān)方程； 相關(guān)方程檢測(cè)光強(qiáng)波動(dòng)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。45檢測(cè)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(gè)靜止顆粒布朗運(yùn)動(dòng)與散射光布朗運(yùn)動(dòng)與散射光6布朗運(yùn)動(dòng)與散射光布朗運(yùn)

3、動(dòng)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(gè)靜止顆粒檢測(cè)器布朗運(yùn)動(dòng)與散射光布朗運(yùn)動(dòng)與散射光檢測(cè)器布朗運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：小粒子運(yùn)動(dòng)快速，大粒子運(yùn)動(dòng)緩慢。由于粒子在不停地運(yùn)動(dòng)，散射光斑也將出現(xiàn)移動(dòng)；由于粒子四處運(yùn)動(dòng)，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(dòng)形式。即：粒子的布朗運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致光強(qiáng)的波動(dòng)。7散射光強(qiáng)的波動(dòng)散射光強(qiáng)的波動(dòng) 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(hào)中得到的很短時(shí)間的波動(dòng)信息進(jìn)而得到相關(guān)曲線Time (s)Intensity (kcps)Small Particles

4、Time (s)Intensity (kcps)Large Particles8TimeIntensity相關(guān)性: 小粒子，光強(qiáng)波動(dòng)比較快散射光強(qiáng)的波動(dòng)散射光強(qiáng)的波動(dòng)9TimeIntensity0TimeCorrelationCoefficient10 = 0相關(guān)性: 小粒子，光強(qiáng)波動(dòng)比較快散射光強(qiáng)的波動(dòng)散射光強(qiáng)的波動(dòng)10TimeIntensity01Time10 = 1CorrelationCoefficient散射光強(qiáng)的波動(dòng)散射光強(qiáng)的波動(dòng)相關(guān)性: 小粒子，光強(qiáng)波動(dòng)比較快11散射光強(qiáng)的波動(dòng)散射光強(qiáng)的波動(dòng)相關(guān)性: 小粒子，光強(qiáng)波動(dòng)比較快TimeIntensityTime10012 = 2Cor

5、relationCoefficient12 = 3TimeIntensityTime100123CorrelationCoefficient散射光強(qiáng)的波動(dòng)散射光強(qiáng)的波動(dòng)相關(guān)性: 小粒子，光強(qiáng)波動(dòng)比較快13散射光強(qiáng)的波動(dòng)散射光強(qiáng)的波動(dòng)相關(guān)性: 小粒子，光強(qiáng)波動(dòng)比較快TimeIntensityTime100 = 123CorrelationCoefficient14相關(guān)方程（曲線）相關(guān)方程（曲線）衰減的過(guò)程與粒子衰減的過(guò)程與粒子尺寸的分布相關(guān)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初始斜率依賴于粒子大小截距截距15光強(qiáng)波動(dòng)，相關(guān)函

6、數(shù)和粒徑分布光強(qiáng)波動(dòng)，相關(guān)函數(shù)和粒徑分布CorrelateApplyAlgorithmTime (s)Intensity (kcps)SmallParticlesCorrelateApplyAlgorithmTime (s)Intensity (kcps)LargeParticles16運(yùn)算法則運(yùn)算法則-累積矩法累積矩法ln g1() = ln At (m2/2!)t2 (m3/3!)t3這里是衰減時(shí)間為衰減率，與z-均擴(kuò)散系數(shù)相關(guān) = q2Dq為散射矢量，q = (4n/0)sin(q/2)n為折光指數(shù)，0為入射光波長(zhǎng)由z-均擴(kuò)散系數(shù)得到z-均直徑 m2/ 2為分布系數(shù)PDI17Stokes

7、-EinsteinStokes-Einstein方程方程 動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量依賴于時(shí)間的散射光強(qiáng)波動(dòng)。由動(dòng)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 hydrodynamic diameter (dH) D: 擴(kuò)散系數(shù), kB：波爾茲曼常數(shù), T： 絕對(duì)溫度,： 粘度1819流體力學(xué)直徑表面上枝接的一層分子將會(huì)降低擴(kuò)散速度因此，流體力學(xué)直徑將會(huì)受到表面結(jié)構(gòu)的影響測(cè)得的直徑分布系數(shù)分布系數(shù)分布系數(shù)值分布系數(shù)值注解注解0.05單分散體系，如一些乳液的標(biāo)樣。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。光強(qiáng)、體積和數(shù)量分布光強(qiáng)、體積和數(shù)量分

8、布數(shù)量平均粒徑 28nm體積平均粒徑 49nm光強(qiáng)平均粒徑 = 50nmRelative % in classDiameter (nm)55011Relative % in classDiameter (nm)5501,000,0001Relative % in classDiameter (nm)55011,000N1:N2N1*3/4r13 : N2*3/4r23 N1V1:N2V2N1V12 : N2V22 l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l設(shè)想一個(gè)由相等數(shù)量的5nm和50nm球形粒子組成的混合物 Mie theory Mie theory(Raylei

9、gh theory)粒子粒子尺度分布尺度分布v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）v動(dòng)態(tài)光散射 DLS 技術(shù)往往高估分布峰的寬度，這個(gè)影響可以從體積分布和數(shù)量分布的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中體現(xiàn)v體積和數(shù)量分布中，峰的平均值和分布寬度只能用來(lái)估計(jì)成分的相對(duì)量。v總的來(lái)說(shuō)， d(intensity) d(volume) d(number)23樣品要求樣品要求v 樣品應(yīng)該較好的分散在液體介質(zhì)中v 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(huì)導(dǎo)

10、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(guò)濾24粒徑下限粒徑下限依賴于： v 粒子相對(duì)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v 儀器敏感度 激光強(qiáng)度和波長(zhǎng) 檢測(cè)器敏感度 儀器的光學(xué)構(gòu)造25粒徑上限粒徑上限v 動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量粒子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)/布朗運(yùn)動(dòng)v 若粒子不進(jìn)行無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)光散射無(wú)法提供準(zhǔn)確粒徑信息v 粒子尺寸的上限定義于沉淀行為的開(kāi)始v 因此上限取決于樣品應(yīng)考慮粒子和分散劑的密度26樣品濃度樣品濃度v 從動(dòng)態(tài)光散射得到的樣品尺寸應(yīng)該不依賴于濃度v 每種樣品都有其理想的測(cè)試濃度范圍v 如果濃度太低，可能散射光強(qiáng)不足以進(jìn)行試驗(yàn)

11、v 如果樣品濃度太高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)依賴于濃度v 為了得到正確的尺寸信息，可能會(huì)需要在不同的濃度下檢測(cè)樣品尺寸27樣品濃度上限樣品濃度上限v 對(duì)于高濃度樣品，由動(dòng)態(tài)光散射測(cè)得的表觀尺寸可能會(huì)受到不同因素的影響 多重光散射檢測(cè)到的散射光經(jīng)過(guò)多個(gè)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28樣品濃樣品濃度范圍度范圍29樣品制備樣品制備v 使用干凈的樣品池！v 緩慢注入溶液以避免產(chǎn)生氣泡v 如果使用注射管濾膜過(guò)濾樣品，請(qǐng)放棄開(kāi)始的幾滴溶液以避免在濾膜下面的灰塵進(jìn)入樣品

12、池v 用蓋子將樣品池封住v 將樣品池放入儀器時(shí)，標(biāo)志面向自己30樣品制備：稀釋樣品制備：稀釋v 如果樣品濃度很高，則需要將溶液稀釋；v 稀釋樣品時(shí)須注意保持樣品原來(lái)的性質(zhì)；v 稀釋溶液應(yīng)和原來(lái)的樣品溶液保持相同的性質(zhì)；v 如果樣品很多，稀釋液可以由過(guò)濾或者離心原來(lái)的樣品溶液除去溶質(zhì)而得到；v 如果樣品太少，稀釋液應(yīng)盡量按原溶液性質(zhì)制備。31樣品制備：超聲與過(guò)濾樣品制備：超聲與過(guò)濾超聲超聲v對(duì)于不易分散的樣品，超聲是非常有用的技術(shù)；v某些材料的粒度與超聲的功率和時(shí)間緊密相關(guān)；v乳液不能用超聲。過(guò)濾v灰塵是光散射實(shí)驗(yàn)最主要的問(wèn)題之一，灰塵的存在可能導(dǎo)致測(cè)試失?。籿為了避免灰塵的影響，樣品溶液在測(cè)試

13、之前應(yīng)該被適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾。32數(shù)據(jù)分析：光強(qiáng)的重復(fù)性數(shù)據(jù)分析：光強(qiáng)的重復(fù)性v 同一個(gè)樣品重復(fù)至少三次測(cè)試-光強(qiáng)誤差應(yīng)該在百分之幾以內(nèi)v 在連續(xù)測(cè)試過(guò)程中光強(qiáng)增強(qiáng)意味著: 粒子聚集v 在連續(xù)測(cè)試過(guò)程中光強(qiáng)減弱意味著: 粒子沉淀 粒子溶解v 在連續(xù)測(cè)試過(guò)程中光強(qiáng)無(wú)規(guī)則變化意味著: 粒子不穩(wěn)定 (聚集或分離)33數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)分析：z-z-均直徑重復(fù)性均直徑重復(fù)性v 多次z-均直徑的測(cè)試結(jié)果誤差應(yīng)在1%-2%之內(nèi)v z-均直徑增長(zhǎng)意味著: 粒子聚集 溫度不穩(wěn)定 (粘度隨溫度變化)v 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)34數(shù)據(jù)分析：尺寸分布重復(fù)性數(shù)據(jù)分析：尺寸分布重復(fù)性v 對(duì)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；v 如果分布沒(méi)有重復(fù)性，建議重新測(cè)量，并將測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)。35數(shù)據(jù)分析：相關(guān)曲線圖數(shù)據(jù)分析：相關(guān)曲線圖v 相關(guān)曲線圖顯示在特定時(shí)間段下每個(gè)通道的相干性，其中包含樣品的信息v 曲線的形狀能夠顯示一些可能出現(xiàn)的明顯的問(wèn)題v 應(yīng)檢查相關(guān)曲線中的噪音狀況v 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36數(shù)據(jù)分析：相關(guān)曲線圖數(shù)據(jù)分析：相關(guān)曲線圖q小粒子q中等分布指數(shù)q存在大的粒子/締合(基線不平)37數(shù)據(jù)分析：相關(guān)曲線圖數(shù)據(jù)分析：相關(guān)曲線圖q大粒子q高分布指數(shù)q很大的粒子/締合物(基