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
< br>
子相关光谱
Photon
Correlation 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
<
/p>
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<
/p>
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<
/p>
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
< 0.08
单分散体系，如一些乳液的标样。
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
IOnm
）、但每种粒子数
<
/p>
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
（
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
1:10000
00
）。
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
*
A
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）
*